If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Kurz: Chemie > Kapitola 8

Lekce 1: Rovnovážná konstanta
Přírodní vědy
Chemie
Chemical equilibrium
Rovnovážná konstanta
© 2024 Khan AcademyPodmínky poskytování služebZásady ochrany osobních údajůZásady používání souborů cookie

Rovnovážná konstanta K

Učebna Google
Vratné reakce, rovnováha a rovnovážná konstanta. Jak tuto konstantu vypočítat a jak na základě její hodnoty zjistit, zda rovnováha bude nakloněna více směrem k reaktantům nebo produktům. 

Co je potřeba si zapamatovat

  • Vratná reakce může probíhat v obou směrech (tj. mohou vznikat jak reaktanty, tak produkty).
  • Rovnováha nastává, když se rovnají rychlosti reakcí v obou směrech. V rovnováze jsou koncentrace reaktantů a produktů neměnné.
  • Mějme dánu následující reakci aA+bB⇌cC+dD. Rovnovážná konstanta Kc, také nazývaná K nebo Keq, je definována následovně:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • Pro reakce, které nejsou v rovnováze, můžeme použít podobný výraz nazývaný reakční kvocient Q, který se rovná Kc v rovnováze.
  • Kc a Q se dají využít pro určení, zda se reakce nachází v rovnováze, k výpočtu rvnovážných koncentrací a k odhadu, zda je v rovnováze přítomno více reaktantů nebo produktů.

Úvod: vratné reakce a rovnováha

Vratná reakce může probíhat v obou směrech, tj. mohou vznikat jak produkty, tak reaktanty. Většina reakcí je v uzavřeném systému teoreticky vratná, ačkoliv některé mohou být považovány za nevratné, a to když dochází k výraznému upřednostňování vzniku reaktantů nebo produktů. Pro zápis vratné reakce se používá znak obousměrné šipky, ⇌. Tento znak znázorňuje, že tyto reakce mohou probíhat jak ve směru vzniku produktů, tak ve směru vzniku reaktantů. Příkladem vratné reakce je vznik oxidu dusičitého, NO2, z jeho dimeru, N2O4:
N2O4(g)⇌2NO2(g)
Představte si, že jsme bezbarvý N2O4(g) dali do prázdné nádoby při pokojové teplotě. Když budeme tuto nádobu sledovat, tak zaznamenáme postupnou změnu barvy na žlutooranžovou, která postupně tmavne a po chvíli se ustálí. Koncentraci NO2 a N2O4 v čase pro tento proces můžeme vyjádřit pomocí následujícího grafu.
V grafu je na ose y zobrazena koncentrace a na ose x čas. Koncentrace oxidu dusičitého začíná na nule a roste až do dosažení rovnovážné koncentrace, poté je konstantní. Koncentrace dimeru oxidu uhličitého může začínat na jakékoliv hodnotě a klesá až do dosažení rovnovážné koncentrace. V rovnováze již ke změně koncentrace oxidu uhličitého nebo dimeru oxidu uhličitého nedochází.
Graf závislosti koncentrace na čase vratné přeměny dimeru oxidu dusičitého na oxid dusičitý. V čase vyznačeném čárkovaně jsou koncentrace obou látek neměnné a reakce je v rovnováze. Graf byl upraven z OpenStax Chemistry, CC BY 4.0
Na počátku obsahovala nádoba pouze N2O4 a koncentrace NO2 je 0 M. Přeměnou N2O4 na NO2 dochází ke zvýšení koncentrace NO2 až do bodu označeného v grafu nalevo čárkovaně. Dále se koncentrace již nemění. Podobně koncentrace N2O4 klesá z počáteční koncentrace až do dosažení rovnovážné koncentrace. Když se koncentrace NO2 a N2O4 ustálí, tak se reakce nachází v rovnováze.
Všechny reakce směřují k dosažení chemické rovnováhy, tedy k situaci, kdy oba směry reakce probíhají stejnou rychlostí. Jelikož je rychlost reakce v obou směrech stejná, tak se v rovnováze koncentrace reaktantů ani produktů nemění. Nicméně je důležité si zapamatovat, že ačkoliv se koncentrace nemění, tak reakce stále probíhá! Z tohoto důvodu se tento stav někdy také nazývá jako dynamická rovnováha.
Na základě koncentrací všech složek účastnících se reakce v rovnováze můžeme definovat veličinu nazývanou rovnovážná konstanta Kc, která se také někdy označuje jako Keq nebo K. Dolní index c označuje koncentraci, protože rovnovážná konstanta je definována pomocí molární koncentrace v jednotkách moll za dosažení rovnováhy při určité teplotě. Rovnovážná konstanta nám pomůže určit, zda v rovnováze bude přítomno více reaktantů nebo produktů. Kc také můžeme použít k určení, zda se reakce nachází v rovnováze.

Jak vypočítáme Kc?

Uvažujme následující vratnou reakci v rovnováze:
aA+bB⇌cC+dD
Pokud známe molární koncentrace všech látek účastnících se reakce, tak hodnotu Kc můžeme určit pomocí vztahu:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
kde [C] a [D] jsou koncentrace produktů v rovnováze; [A] a [B] jsou koncentrace reaktantů v rovnováze; a a, b, c, a d jsou stechiometrické koeficienty vyčíslené reakce. K vyjádření koncentrací se většinou používá molarita neboli molární koncentrace, která má jednotky moll.
Pět skleněných lahviček, které se liší barvou. Lahvička nejvíce nalevo je namrzlá a bezbarvá. Druhá lahvička zleva obsahuje tmavě žlutou kapalinu a plyn. Kapalina a plyn uvnitř třetí, čtvrté a páté ampule mají stále tmavší oranžovo-hnědou barvu.
Dimer oxidu dusičitého, bezbarvá kapalina a plyn, je v rovnováze s oxidem dusičitým, oranžovo-hnědým plynem. Rovnovážná konstanta a rovnovážné koncentrace obou sloučenin závisí na teplotě! Teplota ampulí zleva doprava: -196 ∘C, 0 ∘C, 23 ∘C, 35 ∘C, a 50 ∘C. Obrázek převzatý z: Eframgoldberg na Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Při výpočtu Kc je důležité dávat pozor na několik věcí:
  • Kc je konstanta pro určitou reakci při určité teplotě. Když změníte teplotu reakce, tak se také změní i Kc.
  • Čisté pevné látky a čisté kapaliny včetně rozpouštědel se do výrazu pro rovnovážnou konstantu nezahrnují.
  • Kc se často píše bez jednotek, ale záleží na učebnici.
  • Abychom získali správnou hodnotu rovnovážné konstanty Kc, tak musíme vycházet z vyčíslené rovnice, kde jsou koeficienty nejmenší možná celá čísla.
Poznámka: Pokud jsou některé z reaktantů nebo produktů plyny, tak rovnovážnou konstantu můžeme vyjádřit také pomocí parciálních tlaků plynů. Tuto hodnotu pak zpravidla nazýváme Kp, abychom ji odlišili od rovnovážné konstanty vyjádřené pomocí molarity, Kc. V tomto článku se ale zaměříme na Kc.

Co nám hodnota Kc říká o reakci v rovnováze?

Hodnota Kc nám poskytuje určitou informaci o koncentracích reaktantů a produktů v rovnováze:
  • Pokud je hodnota Kc velmi vysoká, ~1000 nebo více, tak v rovnováze budou přítomny hlavně produkty.
  • Pokud je hodnota Kc velmi malá, menší než ~0,001, tak v rovnováze budou přítomny hlavně reaktanty.
  • Pokud hodnota Kc leží mezi 0,001 a 1000, tak v rovnováze budou přítomny ve významné koncentraci jak reaktanty, tak produkty.
Použijeme-li tyto zásady, tak můžeme rychle odhadnout, zda reakce poběží spíše ve směru produktů—velmi vysoké Kc— nebo ve směru reaktantů—velmi malé Kc—anebo někde mezi tím.

Příklad

Část 1: Výpočet Kc z rovnovážných koncentrací

Podívejme se na rovnovážnou reakci, kdy z oxidu siřičitého a kyslíku vzniká oxid sírový:
2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)
Reakce je v rovnováze za určité teploty, T. Změřili jsme následující rovnovážné koncentrace :
[SO2]=0,90M[O2]=0,35M[SO3]=1,1M
Hodnotu Kc pro reakci při teplotě T vypočítáme pomocí následujícího výrazu:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]
Pokud dosadíme známé rovnovážné koncentrace do výše uvedené rovnice, tak získáme:
Kc=[SO3]2[SO2]2[O2]=[1,1]2[0,90]2[0,35]=4,3
Hodnota Kc je mezi 0,001 a 1000, proto očekáváme, že budou přítomny významné koncentrace jak reaktantů, tak produktů. To je protiklad situacím, kdy jsou přítomny hlavně reaktanty nebo produkty.

Část 2: Využití reakčního kvocientu Q k určení, zda se reakce nachází v rovnováze

Teď známe rovnovážnou konstantu pro danou teplotu: Kc=4,3. Představ si, že máme tu samou reakci při stejné teplotě T, ale tentokrát jsme použili jinou reakční nádobu a změřili následující koncentrace:
[SO2]=3,6M[O2]=0,087M[SO3]=2,2M
Chtěli bychom zjistit, zda se reakce nachází v rovnováze, ale jak to můžeme udělat? Pokud si nejsme jisti, zda je reakce v rovnováze, tak můžeme vypočítat reakční kvocient Q:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]
V tuto chvíli si možná říkáte, že tato rovnice je vám velmi povědomá. Jak se výraz pro Q liší od výrazu pro Kc? Hlavní rozdíl je v tom, že Q můžeme vypočítat, ať se reakce nachází v rovnováze nebo ne, ale Kc můžeme vypočítat pouze pro reakci v rovnovážném stavu. Pokud porovnáme Q a Kc, tak můžeme říct, zda je reakce v rovnováze, protože při rovnováze platí, že Q=Kc.
Pokud Q spočítáme pomocí koncentrací uvedených výše, tak získáme:
Q=[SO3]2[SO2]2[O2]=[2,2]2[3,6]2[0,087]=4,3
Protože je hodnota Q rovna hodnotě Kc, tak víme, že reakce je v rovnováze. Hurá!

Příklad 2: Použití Kc k nalezení rovnovážného složení

Uvažujme rovnovážnou směs N2, O2 a NO:
N2(g)+O2(g)⇌2NO(g)
Pro rovnovážnou konstantu můžeme napsat tento výraz:
Kc=[NO]2[N2][O2]
Víme, že při určité teplotě je rovnovážná konstanta 3,4⋅10−21 a také známe následující rovnovážné koncentrace:
[N2]=[O2]=0,1M
Jaká je rovnovážná koncentrace NO(g)?
Jelikož je Kc menší než 0,001, tak předpokládáme, že v rovnováze budou reaktanty N2 a O2 přítomny ve výrazně vyšších koncentracích než produkty, NO. Tudíž očekáváme, že koncentrace NO bude v porovnání s koncentracemi reaktantů velmi malá.
Víme, že rovnovážné koncentrace N2 a O2 jsou 0,1 M, takže rovnici pro Kc můžeme upravit tak, abychom vypočítali NO:
Kc=[NO]2[N2][O2]                 NO osamostatníme na jedné straně.
[NO]2=K[N2][O2]       Abychom zjistili hodnotu [NO], tak obě straně odmocníme.
[NO]=K[N2][O2]
Když dosadíme známé rovnovážné koncetrace a hodnotu pro Kc, tak získáme:
[NO]=K[N2][O2]=K[N2][O2]=(3,4⋅10−21)(0,1)(0,1)=5,8⋅10−12M
Jak jsme předpokládali, koncentrace NO, 5,8⋅10−12M je mnohem menší než koncentrace reaktantů [N2] a [O2].

Shrnutí

Fotografie pláže na pobřeží oceánu. Žlutý písek je pokrytý lidmi na plážových osuškách a také tu vidíme plavce v zelenomodrém oceánu. Kolem pláže jsou domy tvořící malé město.
Pokud se počet lidí vstupujících do vody za jednotku času rovná počtu lidí z vody vystupujících za jednotku času, tak pak je systém v rovnováze! Celkový počet lidí na pláži a ve vodě zůstává stejný, ačkoliv se lidé mezi vodou a pláží stále pohybují. Obrázek převzat z: penreyes on flickr, CC BY 2.0
  • Vratná reakce může probíhat v obou směrech (tj. mohou vznikat jak reaktanty, tak produkty).
  • Rovnováha nastává, když se rovnají rychlosti reakcí v obou směrech. V rovnováze jsou koncentrace reaktantů a produktů neměnné.
  • Pro následující rovnici aA+bB⇌cC+dD je rovnovážná konstanta Kc, také nazývaná K or Keq, definována pomocí molárních koncentrací následovně:
Kc=[C]c[D]d[A]a[B]b
  • Pro reakce, které nejsou v rovnováze, můžeme použít podobný výraz nazývaný reakční kvocient Q, který se rovná Kc v rovnováze.
  • Kc můžeme využít k určení, zda se reakce nachází v rovnováze, k výpočtu rovnovážných koncentrací a k odhadu toho, zda je v rovnováze vyšší koncentrace produktů nebo reaktantů.

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení
Zatím žádné příspěvky.
Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.