Stała równowagi - Polski Serwis Naukowy

Stała równowagi - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama.

Stała gazowa (uniwersalna stała gazowa) (oznaczana jako R) – stała fizyczna równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego podgrzewanego o 1 kelwin (stopień Celsjusza) podczas przemiany izobarycznej.

Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.

Zgodnie z prawem działania mas Guldberga-Waagego, dla reakcji: mA + nB ⇌ pC + qD

wyrażenie na stałą równowagi ma postać: $K=\frac{[C]^{p}[D]^{q}}{[A]^{m}[B]^{n}}$

gdzie nawiasy kwadratowe oznaczają stężenia molowe w przypadku roztworów lub molowe ciśnienia cząstkowe w przypadku gazów w stanie idealnej równowagi.

Wyrażenie to można rozszerzyć na dowolną liczbę reagentów dopisując w liczniku produkty, a w mianowniku substraty w odpowiednich wykładnikach potęgowych. Wykładniki te są równe proporcjom molowym substratów i produktów, wynikających z równania stechiometrycznego reakcji.

Chemia fizyczna, fizykochemia – jeden z głównych działów chemii zajmujący się poznaniem zjawisk fizycznych występujących w trakcie i na skutek przemian (reakcji) chemicznych. Chemia fizyczna zajmuje się także własnościami fizycznymi związków chemicznych wynikającymi bezpośrednio z ich struktury chemicznej. Ze względu na najwyższy spośród głównych działów chemii stopień użycia metod matematycznych jest też działem najbliższym fizyce. Zob. też fizyka chemiczna.

Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów).

Tak zdefiniowaną stałą równowagi można stosować jedynie dla układów rozcieńczonych, gdzie stężenia (lub ciśnienia cząstkowe) są stosunkowo niewielkie. Dla wyższych stężeń wartość obliczona może znacząco odbiegać od wartości obserwowanej, m.in. ze względu na zjawiska dyfuzyjne i lepkościowe. Stąd dokładniejsza definicja stałej równowagi, powszechnie stosowana w chemii fizycznej bazuje na aktywnościach molowych, a nie zwykłych stężeniach.

Warunki standardowe – ściśle określona temperatura i ciśnienie otoczenia, które stanowią rodzaj punktu odniesienia do rozmaitych obliczeń fizykochemicznych.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

W tym ujęciu stała równowagi chemicznej jest definiowana następująco:

$K=\prod_{i=1}^n a^{V_i}_{i}$

gdzie: ai - aktywność molowa i-tego związku w stanie równowagi Vi - współczynnik stechiometryczny i-tego związku, zapisywany ze znakiem "-" dla substratów i znakiem "+" dla produktów - zgodnie z zasadami tworzenia iloczynu reakcji.

Stała równowagi jest wartością bezwymiarową. Przyjmuje one bardzo różne wartości, zależnie od tego czy równowaga reakcji jest przesunięta bardziej w stronę substratów, czy bardziej w stronę produktów.

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Produkt reakcji to cząsteczka związku chemicznego lub inne indywidum chemiczne (np. jon), wynik reakcji chemicznej. Często jest to pojęcie umowne - gdy produkty i substraty reakcji są w stanie równowagi chemicznej, w skali mikroskopowej reakcja biegnie w obie strony z jednakową szybkością.

Załóżmy, że w przypadku prostej reakcji syntezy: A + B ⇌ AB

użyto pierwotnie po 2 mole związku A i B i że stan równowagi ustala się po przereagowaniu dokładnie połowy substratów, a całość mieszaniny reakcyjnej w stanie równawagi ma objętość 1 litra. Mamy wtedy: [A] = 1 mol/litr, [B] = 1 mol/litr i [AB] = 1 mol/litr

Podstawiając to do wyrażenia na stałą równowagi dla tej reakcji:

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

Równowaga reakcji chemicznych – stan, gdy reakcja w jedną i drugą stronę zachodzi z taką samą szybkością, więc stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie.

$K=\frac{[AB]}{[A][B]}$

otrzymujemy $K=\frac{[1]}{[1]*[1]}$

a zatem stała tej reakcji wynosi dokładnie 1. Gdy stała dla tej reakcji jest większa od 1 oznacza to, że równowaga jest przesunięta w stronę produktów. Np. dla stałej równej 100, w stanie równowagi mamy 0,1 mola A i B oraz 1 mol AB (1/(0,1·0,1)). Gdy stała jest mniejsza od 1 oznacza to, że równowaga jest przesunięta w stronę substratów. Np: dla stałej 0,01 stan równowagi ustali się przy 1 molu A i B, oraz 0,01 mola AB.

Stechiometria – dział chemii zajmujący się stosunkami ilościowymi przemian związków chemicznych zachodzących w czasie reakcji chemicznych. Stechiometria zajmuje się ustaleniem w jakich proporcjach ilościowych reagują z sobą związki chemiczne i jakie są proporcje substratów do produktów. Proporcje te wylicza się na podstawie równań chemicznych analizowanych reakcji oraz znajomości mas cząsteczkowych substratów i produktów.

Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

W praktyce, reakcje chemiczne posiadają najróżniejsze wartości stałych, przy czym dość częstym zjawiskiem jest występowanie bardzo dużych lub bardzo małych wartości tej stałej. Zwykle przyjmuje się, że reakcja nie zachodzi w ogóle, gdy jej stała równowagi jest mniejsza niż 10, zaś zachodzi kompletnie, gdy stała równowagi jest większa niż 10 - choć znane są przypadki, gdy zakłada się występowanie równowagi nawet w przypadkach, gdy stała ta przekracza te wartości. W związku z tak dużym rozrzutem wartości stałych często zamiast ich bezpośrednich wartości stosuje się ich logarytmy, oznaczane jako pK.

Iloraz reakcji - liczba określająca ogólny stosunek stężeń molowych lub aktywności molowych substratów i produktów danej reakcji chemicznej, w danej chwili jej trwania. W przypadku reakcji przebiegających całkowicie lub częściowo w fazie gazowej, stężenia można zastąpić ciśnieniami cząstkowymi, a aktywności lotnościami czyli aktywnościami ciśnieniowymi.

Logarytm (łac. [now.] logarithmus, w sensie stosunek, z gr. λόγ- log-, od λόγος logos , „słowo”, w sensie proporcja, i ἀριθμός árithmós, „liczba”). Logarytm przy podstawie a z liczby b (symbolicznie log ab) oznacza liczbę c, będącą potęgą, do której podstawa a musi być podniesiona, aby dać liczbę b, czyli

Między stałą równowagi a standardową entalpią swobodną reakcji istnieje zależność: $K=e^{-\frac {\Delta G^{0}}{RT}}$

gdzie: ΔG - standardowa entalpia swobodna reakcji R - uniwersalna stała gazowa T - temperatura w kelwinach

Zależność ta jest najczęściej wykorzystywana w praktyce do wyznaczania entalpii standardowej reakcji chemicznych.

Stała równowagi jest silnie zależna od temperatury. Jej zależność określa równanie van't Hoffa:

Prawo działania mas (ang. mass-action law), zwane także prawem Guldberga i Waagego - wyprowadzone w 1864 r. przez norweskich chemików Guldberga i Waagego wyrażone w terminach współczesnej chemii brzmi:

Roztwór to nierozdzielająca się w długich okresach czasu mieszanina dwóch lub więcej związków chemicznych. Skład roztworów określa się przez podanie stężenia składników. W roztworach zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną. Który z dwóch związków uznać za rozpuszczalnik, jest właściwie kwestią umowną, wynikającą z praktyki i tradycji.

${\frac{d(\ln K)}{dT}}={\frac {\Delta H}{RT^2}}$

gdzie: ΔH = standardowa entalpia (ciepło rzeczywiste) reakcji.

Równanie to przydaje się w praktyce, zarówno do obliczania standardowego ciepła reakcji, jak i do ustalania wartości stałej równowagi w danej temperaturze, gdy znamy tę wartość w innej temperaturze.