Jakie są stałe równowagi?
Niektóre działania chemiczne przebiegają nieodwracalnie w jednym kierunku. Jednym z przykładów jest spalanie wodoru (H) w tlenie (O) w celu wytworzenia wody, jak pokazano we wzorze 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O. Reakcja przeciwna, 2 H 2 O => 2 H 2 + O 2 nie występuje w tych warunkach, bez względu na to, ile czasu mija. Istnieją reakcje odwracalne, jak odkrył chemik Claude-Louis Berthollet w 1803 r. Reakcje odwracalne przebiegają w jednym kierunku, aż reakcje odwrócone staną się uprzywilejowane, prowadząc do równowagi i umożliwiając obliczenie stałych równowagi.
Takie stałe równowagi zostały wyprowadzone ze związków matematycznych ujawnionych w czasie dzięki wysiłkom wielu naukowców. Zależności te wykorzystują stosunki stężeń rozpuszczonych gatunków w układzie reakcyjnym. Jednym prostym przykładem jest jonizacja kwasu octowego. Innym jest odwracalny rozkład czterotlenku gazowego diazotu. W tych, jak we wszystkich przykładach, stałe równowagi zależą od warunków układu, takich jak temperatura.
Kwas octowy dysocjuje na dodatni jon wodoru i ujemny jon octanu. To, co sprawia, że reakcja jest odwracalna, polega na tym, że jony te mogą i będą się łączyć w cząsteczki kwasu. Inne cząsteczki kwasu octowego następnie dysocjują, zastępując te, które się zrekombinowały. Rezultatem jest równowaga, prowadząca do wyrażenia matematycznego. Stężenia jonów i kwasów odnoszą się do stałej równowagi wyrażeniem K = [H +] [Ac -] / [HAc]. Logicznie rzecz biorąc, stała równowagi dla reakcji odwrotnej jest odwrotnością tego K, ponieważ stężenie kwasu staje się licznikiem, a stężenia jonów stają się mianownikiem.
W przypadku czterotlenku diazotu, który zawiera azot (N) i tlen, reakcję chemiczną zapisano jako N 2 O 4 ⇆ 2 NO 2 . Każda zmiana proporcji tych dwóch gatunków w układzie zamkniętym zależy od zmiany ciśnienia w układzie; na każdą rozkładającą się cząsteczkę czterotlenku powstają dwie cząsteczki dwutlenku azotu, zwiększając ciśnienie. Wymaga to energii, a poza tym nie sprzyja podziałowi. Równanie brzmi K = [NO 2 ] [NO 2 ] / [N 2 O 4 ]. Jeśli chodzi o kwas octowy, stała równowagi dla reakcji odwrotnej, podobnie jak dla wszystkich stałych równowagi dla wszystkich reakcji odwrotnych, jest odwrotnością tego K.
Nieodwracalne reakcje podlegają tym samym relacjom matematycznym, co reakcje odwracalne. Jednak w takich przypadkach mianownik przyjmuje wartość 0 lub nieskończoność, jeśli zbadamy reakcję do przodu lub do tyłu. Sugeruje to, że stała równowagi ma przeciwną wartość, nieskończoności lub 0. Taka informacja jest bezużyteczna. Interesująca jest również możliwość doprowadzenia reakcji do końca, co czyni ją nieodwracalną poprzez usunięcie jednego z produktów z układu, na przykład przez półprzepuszczalną membranę, która zatrzymuje reagenty.