§ 23. Константа равновесия

Определения и обозначения

Константа равновесия — величина, характеризующая положение равновесия химической реакции при заданной температуре. Обычно её обозначают K, а при записи через концентрации — Kc. Значение помогает сравнить количества продуктов и исходных веществ в равновесной смеси.

Закон действующих масс для равновесия — правило записи выражения константы через равновесные концентрации веществ с показателями, равными их стехиометрическим коэффициентам. Коэффициенты показывают, в каком соотношении вещества участвуют в реакции. Закон нужен, чтобы составлять выражение K по уравнению, а не наугад.

Равновесная концентрация — концентрация вещества в системе, достигшей химического равновесия. Её обозначают, например, квадратными скобками: [A]. Именно эти значения используют для вычисления Kc, поскольку константа описывает установившееся состояние смеси.

Реакционный коэффициент — выражение, составленное по тому же правилу, что и константа равновесия, но для концентраций в текущем состоянии системы. Его часто обозначают Qc. Сравнение Qc с Kc помогает понять, достигнуто ли равновесие и в какую сторону будет смещаться реакция.

Как это устроено

Для реакции aA + bB ⇄ cC + dD константу равновесия записывают как Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ/([A]ᵃ[B]ᵇ). В числителе находятся продукты, а в знаменателе — исходные вещества; все концентрации берут равновесными. Такой порядок записи отражает, какие вещества образуются и какие расходуются в прямой реакции.

Показатели степеней берут из коэффициентов уравнения, потому что закон действующих масс связывает вклад каждого вещества с его участием в реакции. Например, если перед HI стоит коэффициент 2, концентрацию HI возводят в квадрат. Поэтому перед записью K сначала проверяют коэффициенты и уравнивают реакцию.

При фиксированной температуре K имеет определённое значение и не меняется от того, сколько веществ взяли вначале. Начальные концентрации влияют на ход процесса и на конкретные значения концентраций, которые установятся в равновесии. Но при той же температуре конечное соотношение, выраженное через K, остаётся постоянным.

Величина K показывает, какая сторона равновесия выражена сильнее. Если K значительно больше единицы, равновесная смесь обычно содержит больше продуктов; если значительно меньше единицы — больше исходных веществ. Это сравнение не означает, что одна из сторон обязательно отсутствует: даже при большом K часть исходных веществ может сохраниться.

В гетерогенном равновесии вещества находятся в разных фазах, например твёрдое вещество и газ. Концентрация чистого твёрдого вещества или чистой жидкости при данных условиях постоянна, поэтому её не записывают в выражении: постоянная величина уже включена в значение K. Если реакцию записать в обратную сторону, числитель и знаменатель меняются местами, а константа становится обратной; при умножении всех коэффициентов на n исходную константу возводят в степень n.

Как записывать и интерпретировать константу равновесия

Таблица помогает быстро определить, какие концентрации включать в выражение и как истолковать полученное значение. Сначала найдите тип реакции и коэффициенты, затем проверьте, есть ли среди веществ чистые твёрдые тела или жидкости. При интерпретации K учитывайте, что речь идёт о преобладании, а не о полном исчезновении одной из сторон.

Разбор задач

1. Реакция H₂ + I₂ ⇄ 2HI

Условие. Для реакции H₂ + I₂ ⇄ 2HI запишите выражение константы равновесия. Нужно определить, какие вещества будут в числителе и знаменателе и как учесть коэффициенты. Численных концентраций для этой задачи не требуется.

1. Определяем продукты и исходные вещества: HI — продукт, H₂ и I₂ — исходные вещества.
2. Записываем концентрацию продукта в числитель, а концентрации исходных веществ — в знаменатель.
3. Коэффициент перед HI равен 2, поэтому [HI] возводим в квадрат; у H₂ и I₂ коэффициенты равны 1.

Ответ: Kc = [HI]²/([H₂][I₂]). Скобки означают равновесные концентрации, поэтому при вычислении нельзя подставлять начальный состав смеси. Единичные коэффициенты обычно не пишут как показатели степени.

2. Гетерогенное равновесие CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г)

Условие. Запишите выражение Kc для равновесия CaCO₃(тв) ⇄ CaO(тв) + CO₂(г). В системе есть два чистых твёрдых вещества и один газообразный продукт. Нужно решить, какие из них войдут в выражение.

1. Находим вещества, которые обычно стояли бы в записи: CaCO₃ — исходное, CaO и CO₂ — продукты.
2. Исключаем чистые твёрдые вещества CaCO₃ и CaO: их концентрации постоянны при данных условиях.
3. Оставляем концентрацию газообразного продукта CO₂; его коэффициент равен 1.

Ответ: Kc = [CO₂]. Здесь учитывают равновесную концентрацию газа. Если бы коэффициент перед CO₂ был больше единицы, концентрацию газа возводили бы в соответствующую степень.

3. Расчёт Kc для синтеза аммиака

Условие. Для реакции N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ равновесные концентрации N₂, H₂ и NH₃ равны соответственно 0,20; 0,60 и 0,30 моль/л. Найдите Kc и определите, какая сторона равновесия выражена сильнее. Сначала строим выражение по уравнению, а затем подставляем значения.

1. Записываем Kc = [NH₃]²/([N₂][H₂]³), так как перед NH₃ стоит 2, перед H₂ — 3, а перед N₂ — 1.
2. Подставляем равновесные концентрации: Kc = 0,30²/(0,20 · 0,60³).
3. Вычисляем: 0,30² = 0,09, а 0,20 · 0,60³ = 0,0432. Следовательно, Kc ≈ 2,08.
4. Сравниваем результат с единицей: значение больше 1, значит, в равновесной смеси сильнее выражена сторона продуктов.

Ответ: Kc ≈ 2,08; преобладают продукты реакции, в том числе NH₃. Это не означает, что весь азот и водород превратились в аммиак: равновесная смесь может содержать все три вещества.

Типичные ошибки

Подставляют начальные или текущие концентрации вместо равновесных. Так происходит, когда забывают, что Kc характеризует именно установившееся соотношение веществ. Проверьте условие: для вычисления константы должны быть даны концентрации при равновесии; для текущего состояния используют реакционный коэффициент Qc.

Не возводят концентрации в степени по коэффициентам или используют коэффициенты как множители. Часто это происходит из-за смешения коэффициента в уравнении с числом перед концентрацией. Самопроверка проста: сверьте каждую степень с коэффициентом перед тем же веществом, например для 3H₂ нужна степень 3.

Включают в выражение чистые твёрдые вещества или жидкости. Их видят в уравнении и по привычке записывают наравне с газами и растворёнными веществами. Перед записью Kc подпишите агрегатные состояния и исключите чистые твёрдые тела и жидкости.

Считают, что большая константа означает полное превращение исходных веществ в продукты. Такое толкование путает преобладание одной стороны с абсолютным завершением реакции. Проверьте себя: формулируйте вывод как «продукты преобладают», а не «исходных веществ совсем нет».

Связь с другими темами

Для понимания константы равновесия нужны знания о химическом равновесии: в равновесной системе прямой и обратный процессы продолжаются, хотя состав внешне не меняется. Также важно уметь находить стехиометрические коэффициенты в уравнении и понимать, что означают равновесные концентрации.

Константа помогает рассчитывать состав равновесной смеси, если известны исходные данные и условия задачи. Она пригодится и при изучении смещения химического равновесия: сопоставление состояния системы с равновесным соотношением позволяет определить направление дальнейшего процесса.

Что запомнить

• Константу равновесия записывают через равновесные концентрации.
• Показатели степеней в выражении совпадают с коэффициентами уравнения реакции.
• Чистые твёрдые вещества и жидкости в выражение не входят.
• При заданной температуре константа равновесия для данной реакции постоянна.
• Большая константа означает преобладание продуктов, малая — исходных веществ.
• Для обратной реакции константа равна обратной константе прямой реакции.
• При умножении коэффициентов уравнения на n константа возводится в степень n.