Константа рівноваги
Конста́нта рівнова́ги — кількісна характеристика хімічної рівноваги, що описує ймовірність перебігу реакції. Константа обчислюється як відношення добутку концентрації продуктів реакції (або їхніх парціальних тисків) до добутку концентрації вихідних речовин із їхніми стехіометричними коефіцієнтами у степенях.
Опис. Приклади
Наприклад, для реакції
- aA + bB cC + dD
константа рівноваги обчислюватиметься як
Значення константи хімічної рівноваги залежить від температури та природи речовин у реакції. Воно пов'язане зі зміною вільної енергії Гіббса:
- ΔG = -RT · ln K
За константою рівноваги можна з'ясовувати напрямок перебігу реакції, концентрації реактантів і вихід продуктів за певних умов.
Константою рівноваги також може називатися відношення молярної частки уі і-ого компонента багатокомпонентної системи в газовій фазі до молярної частки хі цього ж компонента в рідинній фазі при даних тиску і температурі або відношення тиску насиченої пари рі і-ого компонента багатокомпонентної системи при заданій температурі до тиску р в багатокомпонентній системі при цій же температурі.
Виведення
Динамічне
Відповідно до закону діючих мас швидкість реакції є пропорційною до добутку концентрацій вихідних речовин та їхніх коефіцієнтів у реакції як степенів:
- v = k · [A]a[B]b,
- де k — коефіцієнт пропорційності.
В момент початку реакції продукти відсутні, тому швидкість зворотної реакції дорівнює нулю. В ході взаємодії вихідні реактанти поступово перетворюються на продукти, а ті в свою чергу реагують у зворотному напрямку. За деякий час наступає момент, коли кількість утворюваних продуктів та тих, що розкладаються, є рівною, тобто швидкість прямої реакції (1) дорівнює швидкостю зворотної (2):
- v1 = v2
Так, для реакції
- aA + bB cC + dD
ця рівність швидкостей набуде вигляду
- k1 · [A]a[B]b = k2 · [C]c[D]d
Оскільки коефіцієнти у законі діючих мас є сталими значеннями, то їхнє відношення також буде сталою величиною:
Отримана величина і є константою рівноваги.
Термодинамічне
Хімічна рівновага у системі наступає в момент, коли вільна енергія Гіббса (вільна ентальпія) реактантів дорівнює енергії продуктів реакції:
- gреакт = gпрод
Якщо у системі знаходяться кілька речовин, то сумарна вільна енергія обчислюється як сума вільних енергій окремих компонентів:
- g = g1 + g2 + g3 + ...
Оскільки вільна енергія є молярною величною (g = n · G), запис набуває вигляду:
- g = n1G1 + n2G2 + n3G3 + ...
В ідеальному розчині молярна вільна енергія Гіббса залежить від концентрації розчиненої речовини:
- G = G0 + RT · ln[S],
- де S — концентрація речовини у розчині;
- G0 — стандартна вільна енергія (при [S]=1 моль/л)
- R — газова стала;
- T — абсолютна температура.
Рівність вільних енергій для реактантів і продуктів типової реакції
- aA + bB cC + dD
можна записати у вигляді:
- a(G0a + RT · ln[A]) + b(G0b + RT · ln[B]) = c(G0c + RT · ln[C]) + d(G0d + RT · ln[D])
- aG0a + bG0b - cG0c - dG0d = -aRT · ln[A] - bRT · ln[B] + cRT · ln[C] + dRT · ln[D]
- aG0a + bG0b - cG0c - dG0d = -ΔG
- -ΔG = RT · ln
За звичайних ізобарно-ізотермічних умов значення ΔG є сталим, тому логарифм відношення концентрацій також є сталим:
- , звідки
Див. також
Джерела
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.
- Глинка Н. Л. Общая химия / Под ред. А. И. Ермакова. — 30. — М. : Интеграл-Пресс, 2003. — С. 205—206. — ISBN 5-89602-017-1. (рос.)
- Янсон Э. Ю. Теоретические основы аналитической химии. — 2-е. — М. : Высшая школа, 1987. — С. 25—28. (рос.)
- Яцимирський В. К. Фізична хімія. — К., Ірпінь : Перун, 2007. — С. 100—106. — ISBN 978-966-569-224-9.