Grensloze Scheikunde

De evenwichtsconstante

De thermodynamische evenwichtsconstante wordt gedefinieerd als: \text{K}_{\text{eq}}=\frac{^{\text{m}}^{\text{n}}}{^{\text{a}}^{\text{b}}}.

De verhouding tussen voorwaartse en omgekeerde reacties in dynamisch evenwicht kan wiskundig worden uitgedrukt in een zogenaamde evenwichtsuitdrukking, of Keq-uitdrukking. Meestal wordt deze uitdrukking geschreven in termen van de concentraties van de verschillende reactanten en producten, en wordt gegeven door:

K}_{text{eq}}=\frac{^{text{m}}^{text{n}}}{^{text{a}}^{text{b}}

Soorten tussen haakjes stellen de concentraties voor van producten, die altijd in de teller staan, en van reactanten, die altijd in de noemer staan. Elk van de concentraties wordt verheven tot een macht gelijk aan de stoichiometrische coëfficiënt voor elke soort.

Afleiding van de evenwichtsuitdrukking uit de massawet

Bedenk de volgende algemene, omkeerbare reactie:

\text{aA}+\text{bB}+\text{mC}+\text{nD}

Aannemende dat deze reactie een elementaire stap is, kunnen we de snelheidswetten schrijven voor zowel de voorwaartse als de terugwaartse reactie:

Snelheid}_{text{forward}}= {text{k}_1^text{a}^text{b}

Snelheid}_{text{reverse}= {text{k}_2^text{m}^text{n}

We weten echter dat de snelheid van de voorwaartse en omgekeerde reactie in evenwicht gelijk zijn:

Door deze vergelijking te herschikken en de snelheidsconstanten te scheiden van de concentratietermen, krijgen we:

\frac{\text{k}_1}{\text{k}_2}=\frac{^text{m}^text{n}}{^text{a}^text{b}

Merk op dat de linkerkant van de vergelijking het quotiënt is van twee constanten, wat gewoon een andere constante is. We vereenvoudigen de vergelijking en schrijven deze constante als Keq:

K}_{text{k}_1}{text{k}_2}=K}_{text{C}}= Keq{^text{m}^text{n}{^text{a}^text{b}

Opgemerkt moet worden dat de enige stoffen die in de Keq-uitdrukking moeten worden opgenomen reactanten en producten zijn die als gas bestaan of in waterige oplossing zijn. Reactanten en producten in de vaste en vloeibare fase, zelfs als ze bij de reactie betrokken zijn, worden niet in de Keq-uitdrukking opgenomen, omdat deze stoffen een activiteit van 1 hebben.

“Activiteit” is een term in de fysische chemie die wordt gebruikt om de ideale concentratie van een stof aan te geven. De activiteit voor vaste stoffen en vloeistoffen is 1, zodat zij in wezen een constante concentratie van 1 hebben, en dus geen effect hebben op de Keq-uitdrukking. Daarom zijn ze weggelaten.

Voorspellen van de richting van een reactie uit de waarde van Keq

Als we naar de uitdrukking Keq kijken, moeten we opmerken dat het in wezen een verhouding is tussen de concentraties van producten en de concentraties van reactanten bij een evenwicht. Als we de waarde van Keq kennen, kunnen we enkele conclusies trekken over de thermodynamica van de voor- en omgekeerde reacties. Deze conclusies zijn als volgt samen te vatten:

• Een Keq-waarde van << 1 geeft aan dat de omgekeerde reactie sterk is bevoordeeld ten opzichte van de voorwaartse reactie, en dat de concentraties van de reactanten veel hoger zijn dan die van de producten bij evenwicht.
• Een Keq-waarde van ongeveer 1 geeft aan dat de voorwaartse en de omgekeerde reactie ongeveer even gunstig zijn, want de verhouding tussen de concentraties van de reactanten en die van de producten ligt dicht bij de eenheid.
• Een Keq >>1 geeft aan dat de voorwaartse reactie sterk wordt bevoordeeld ten opzichte van de omgekeerde reactie, en dat bij evenwicht de concentraties van de producten veel groter zijn dan die van de reactanten.