Wat zijn evenwichtsconstanten?
Sommige chemische acties verlopen onomkeerbaar in één richting. Een voorbeeld hiervan is het verbranden van waterstof (H) gas in zuurstof (O) om water te produceren, zoals weergegeven in de formule 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O. De tegenovergestelde reactie, 2 H 2 O => 2 H 2 + O 2 komt niet voor onder deze omstandigheden, ongeacht hoeveel tijd verstrijkt. Er zijn omkeerbare reacties, zoals de chemicus Claude-Louis Berthollet ontdekte in 1803. Omkeerbare reacties verlopen in één richting totdat de omgekeerde reacties de voorkeur krijgen, resulterend in een evenwicht en de berekening van evenwichtsconstanten mogelijk maken.
Dergelijke evenwichtsconstanten zijn afgeleid van wiskundige relaties die op tijd zijn onthuld door de inspanningen van veel wetenschappers. Deze relaties gebruiken de verhoudingen van concentraties opgeloste soorten in het reactiesysteem. Een eenvoudig voorbeeld is de ionisatie van azijnzuur. Een andere is de omkeerbare afbraak van het gas-distikstoftetroxide. Hierin zijn, zoals in alle voorbeelden, evenwichtsconstanten afhankelijk van systeemomstandigheden zoals temperatuur.
Azijnzuur dissocieert in een positief waterstofion plus een negatief acetaation. Wat de reactie omkeerbaar maakt, is dat deze ionen kunnen en zullen recombineren tot zure moleculen. Andere azijnzuurmoleculen dissociëren vervolgens om die te vervangen die gerecombineerd zijn. Het resultaat is evenwicht, wat leidt tot een wiskundige uitdrukking. Ionen- en zuurconcentraties hebben betrekking op de evenwichtsconstante door de uitdrukking K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logischerwijs is de evenwichtsconstante voor de omgekeerde reactie het omgekeerde van deze K, omdat de zuurconcentratie de teller wordt en ionconcentraties de noemer worden.
Voor distikstoftetroxide, dat stikstof (N) en zuurstof bevat, wordt de chemische reactie geschreven N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Elke verandering in verhouding van deze twee soorten in een gesloten systeem hangt af van de verandering in systeemdruk; voor elk molecuul tetroxide dat ontleedt, vormen zich twee moleculen stikstofdioxide, die de druk verhogen. Dit vereist energie en is voor een punt ongunstig. De vergelijking luidt K = [NO 2 ] [NO 2 ] / [N 2 O 4 ]. Wat azijnzuur betreft, is de evenwichtsconstante voor de omgekeerde reactie, net als voor alle evenwichtsconstanten voor alle omgekeerde reacties, het omgekeerde van deze K.
Onomkeerbare reacties gehoorzamen dezelfde wiskundige relaties als die reacties die omkeerbaar zijn. In dergelijke gevallen wordt de noemer echter 0 of oneindig, als men de voorwaartse reactie of de omgekeerde reactie onderzoekt. Dit suggereert een evenwichtsconstante met een tegengestelde waarde, van oneindig of van 0. Dergelijke informatie is nutteloos. Ook interessant is de mogelijkheid om een reactie tot voltooiing te sturen, waardoor deze onomkeerbaar wordt door een van de producten uit het systeem te verwijderen, bijvoorbeeld door een semipermeabel membraan dat de reactanten vasthoudt.