Co jsou rovnovážné konstanty?
Některé chemické procesy probíhají nevratně jedním směrem. Jedním z příkladů je spalování plynného vodíku (H) v kyslíku (O) za účelem výroby vody, jak je ukázáno ve vzorci 2 H2 + 02 => 2 H20. Opačná reakce, 2 H20 => 2 H 2 + O 2 se za těchto podmínek nevyskytuje, bez ohledu na to, kolik času uběhne. Existují reverzibilní reakce, jak objevil chemik v roce 1803 Claude-Louis Berthollet. Reverzní reakce probíhají v jednom směru, dokud se reverzní reakce nestanou preferovanými, což vede k rovnováze a umožňuje výpočet rovnovážných konstant.
Tyto rovnovážné konstanty byly odvozeny z matematických vztahů odhalených v čase pomocí úsilí mnoha vědců. Tyto vztahy využívají poměry koncentrací rozpuštěných látek v reakčním systému. Jedním jednoduchým příkladem je ionizace kyseliny octové. Dalším je reverzibilní rozklad plynného dinitrogen tetroxidu. V těchto, stejně jako ve všech příkladech, jsou rovnovážné konstanty závislé na systémových podmínkách, jako je teplota.
Kyselina octová se disociuje na pozitivní vodíkový ion plus záporný acetátový ion. Co dělá reakci reverzibilní je to, že tyto ionty mohou a budou rekombinovat do kyselých molekul. Ostatní molekuly kyseliny octové se pak disociují, aby nahradily ty, které se rekombinovaly. Výsledkem je rovnováha, která vede k matematickému vyjádření. Koncentrace iontů a kyselin se vztahují k rovnovážné konstantě výrazem K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logicky je rovnovážná konstanta pro reverzní reakci inverzní hodnotou tohoto K, protože koncentrace kyseliny se stává čitatelem a koncentrace iontů se stává jmenovatelem.
U dinitrogen tetroxid, který obsahuje dusík (N) a kyslík, je chemická reakce psána N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Jakákoli změna poměru těchto dvou druhů v uzavřeném systému závisí na změně tlaku v systému; pro každou molekulu tetroxidu, který se rozkládá, se tvoří dvě molekuly oxidu dusičitého, což zvyšuje tlak. To vyžaduje energii a, mimo bod, znevýhodňuje rozdělení. Rovnice zní K = [N02] [N02] / [N204]. Pokud jde o kyselinu octovou, rovnovážná konstanta pro reverzní reakci, stejně jako pro všechny rovnovážné konstanty pro všechny reverzní reakce, je inverzní hodnotou této K.
Nevratné reakce se řídí stejnými matematickými vztahy jako reakce, které jsou reverzibilní. V takových případech se však jmenovatel stává buď 0, nebo nekonečno, pokud člověk zkoumá přímou reakci nebo zpětnou reakci. To naznačuje rovnovážnou konstantu mající opačnou hodnotu, nekonečno nebo 0. Takové informace jsou k ničemu. Zajímavá je také možnost řídit reakci k dokončení, což je nevratné odstraněním jednoho z produktů ze systému, například prostřednictvím semipermeabilní membrány, která zadržuje reaktanty.