Константа равновесия: смысл и простые расчёты

Когда обратимая реакция достигает равновесия, вещества в сосуде не исчезают и не появляются в произвольных количествах. При данной температуре их концентрации связаны определённым соотношением. Его описывает константа равновесия. Она помогает не только записать формулу из учебника, но и понять, каких веществ в равновесной смеси больше, а также проверить, пришла ли система к равновесию.

Что показывает константа

Рассмотрим реакцию образования йодоводорода: H₂ + I₂ ⇄ 2HI. В начале опыта в смеси могут быть только водород и йод. Прямая реакция образует HI, а затем накопившийся йодоводород начинает распадаться. Когда скорости двух направлений становятся равны, концентрации перестают меняться. Именно эти равновесные, а не начальные концентрации используют для вычисления K.

Большая константа обычно означает, что в равновесной смеси преобладают продукты. Если K намного больше единицы, числитель выражения велик по сравнению со знаменателем. При K намного меньше единицы, в смеси относительно больше исходных веществ. Значение, близкое к единице, говорит лишь о сопоставимом вкладе реагентов и продуктов в выражение. Оно не требует, чтобы концентрации всех веществ были одинаковыми.

Константа не характеризует скорость реакции. Медленная реакция может иметь большую K, но достигать равновесия очень долго. Катализатор способен ускорить установление равновесия, однако не меняет его константу. Для одной и той же реакции K постоянна только при неизменной температуре. При нагревании или охлаждении равновесный состав может измениться, а вместе с ним изменится и константа.

Как составить выражение Kc

Для реакции общего вида aA + bB ⇄ cC + dD выражение через молярные концентрации записывают так: K_c = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b). Буква c в индексе указывает, что использованы концентрации. Квадратные скобки означают равновесную молярную концентрацию, моль/л. Продукты всегда стоят в числителе, реагенты в знаменателе.

Коэффициент перед формулой вещества становится показателем степени. Для реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ получаем: K_c = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³). Ошибка со степенями меняет ответ даже при верно найденных концентрациях. Не нужно брать коэффициенты в виде множителей, например записывать 2[NH₃]. В формуле требуется именно квадрат концентрации аммиака.

Иногда используют константу K_p, выраженную через парциальные давления газов. Правило составления остаётся тем же, только вместо [A] пишут p(A). В школьных расчётах чаще дана K_c, поэтому перед подстановкой стоит проверить единицы: количество вещества в молях ещё нужно разделить на объём сосуда в литрах.

Что не включают в формулу

Чистые твёрдые вещества и чистые жидкости в выражение константы не входят. Их условная концентрация постоянна, поэтому её вклад уже учитывают в значении K. Например, для разложения известняка CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г) записывают K_c = [CO₂]. Формулы CaCO₃ и CaO в дроби отсутствуют, если обе твёрдые фазы присутствуют.

Вода как чистая жидкость также обычно не попадает в формулу. Для равновесия CH₃COOH + H₂O ⇄ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ в разбавленном водном растворе воду не записывают: K = [CH₃COO⁻][H₃O⁺] / [CH₃COOH]. Но растворённые вещества учитывают всегда, даже если их концентрация кажется небольшой.

Простые расчёты

Пусть для реакции H₂ + I₂ ⇄ 2HI равновесные концентрации равны: [H₂] = 0,20 моль/л, [I₂] = 0,20 моль/л и [HI] = 1,00 моль/л. Составляем выражение: K_c = [HI]² / ([H₂][I₂]). Подстановка даёт K_c = 1,00² / (0,20 × 0,20) = 1 / 0,04 = 25. Продукта в таком равновесии относительно много, что согласуется со значением больше единицы.

В другой задаче известно K_c = 4 для реакции A + B ⇄ C. В равновесной смеси [A] = 0,50 моль/л и [B] = 0,20 моль/л. Нужно найти [C]. Формула имеет вид 4 = [C] / (0,50 × 0,20). Произведение в знаменателе равно 0,10, поэтому [C] = 4 × 0,10 = 0,40 моль/л. Полезно после расчёта подставить результат обратно: 0,40 / 0,10 действительно равно 4.

Если начальные количества указаны в молях, сначала найдите концентрации. Допустим, в сосуде объёмом 2 л после установления равновесия содержится 0,6 моль вещества A. Его концентрация равна 0,6 / 2 = 0,3 моль/л. Подстановка числа 0,6 вместо 0,3 даст неверную константу, поскольку объём влияет на концентрацию.

Частые ошибки

Работу удобно начинать с уравнения реакции и проверки его коэффициентов. Затем выписывают только равновесные концентрации, составляют дробь и лишь после этого подставляют числа. Если дана таблица «начальное, изменение, равновесное», для K берут последнюю строку. Начальные значения пригодятся только для нахождения равновесных концентраций.

• Не путайте коэффициенты уравнения с множителями: они становятся степенями.
• Не включайте чистые твёрдые вещества и жидкости в выражение K.
• Не используйте начальные концентрации вместо равновесных.
• Перед расчётом переводите моли в моль/л, если дан объём сосуда.
• Не делайте вывод о скорости реакции только по величине константы.

Константа равновесия сводит информацию о равновесной смеси к одному отношению. Запоминать нужно не отдельные готовые формулы, а порядок действий: поставить продукты в числитель, реагенты в знаменатель, перенести коэффициенты в степени и подставить концентрации, которые относятся к равновесию. Тогда большинство базовых задач решается аккуратно и без лишних правил.