Stała równowagi chemicznej (K) opisuje położenie równowagi reakcji odwracalnej w danej temperaturze. Dla reakcji aA + bB ⇌ cC + dD stężeniowa stała równowagi ma postać Kc = [C]c·[D]d / ([A]a·[B]b), gdzie w nawiasach kwadratowych są stężenia molowe reagentów w stanie równowagi. Im większa wartość K, tym bardziej równowaga jest przesunięta w stronę produktów. Stała równowagi zależy tylko od temperatury – nie zmienia się przy zmianie stężeń, ciśnienia ani po dodaniu katalizatora.
Równowaga chemiczna – co to jest?
W reakcji odwracalnej przebiegają jednocześnie dwie reakcje: w prawo (substraty → produkty) i w lewo (produkty → substraty). Gdy ich szybkości się zrównają, stężenia reagentów przestają się zmieniać – układ osiąga stan równowagi dynamicznej. Reakcje nadal zachodzą, ale w obu kierunkach z jednakową szybkością.
Jak zapisać wyrażenie na stałą równowagi?
- W liczniku – iloczyn stężeń produktów, w mianowniku – iloczyn stężeń substratów.
- Każde stężenie podnosimy do potęgi równej współczynnikowi stechiometrycznemu z równania reakcji.
- Pomijamy reagenty tworzące osobną fazę stałą lub czystą ciekłą (np. CaCO3(s)) – ich „stężenie” jest stałe.
| Reakcja | Wyrażenie na Kc |
|---|---|
| N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 | Kc = [NH3]2 / ([N2]·[H2]3) |
| H2 + I2 ⇌ 2HI | Kc = [HI]2 / ([H2]·[I2]) |
| 2SO2 + O2 ⇌ 2SO3 | Kc = [SO3]2 / ([SO2]2·[O2]) |
| CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g) | Kc = [CO2] |
| CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO− | Ka = [H+]·[CH3COO−] / [CH3COOH] (stała dysocjacji) |
Jak interpretować wartość stałej równowagi?
- K ≫ 1 – w stanie równowagi przeważają produkty, reakcja przebiega „prawie do końca”,
- K ≈ 1 – w równowadze są porównywalne ilości substratów i produktów,
- K ≪ 1 – przeważają substraty, reakcja zachodzi w niewielkim stopniu.
Stała dla reakcji odwrotnej jest odwrotnością stałej dla reakcji pierwotnej: Kodwr = 1/K.
Obliczanie stałej równowagi – przykład
Zadanie: Do reaktora o objętości 1 dm3 wprowadzono 1 mol H2 i 1 mol I2. Po ustaleniu się równowagi H2 + I2 ⇌ 2HI w układzie było 1,6 mola HI. Oblicz Kc.
| H2 | I2 | HI | |
|---|---|---|---|
| początek [mol/dm3] | 1 | 1 | 0 |
| zmiana | −0,8 | −0,8 | +1,6 |
| równowaga | 0,2 | 0,2 | 1,6 |
Kc = 1,62 / (0,2 · 0,2) = 2,56 / 0,04 = 64
Zasada: zmiany stężeń są proporcjonalne do współczynników stechiometrycznych (powstało 1,6 mola HI, więc przereagowało po 0,8 mola H2 i I2).
Reguła przekory – jak przesunąć równowagę?
Zgodnie z regułą przekory Le Chateliera-Brauna układ w równowadze poddany zmianie warunków reaguje tak, aby tę zmianę częściowo zniwelować.
| Zmiana | Przesunięcie równowagi | Czy zmienia się K? |
|---|---|---|
| dodanie substratu / usunięcie produktu | w prawo | nie |
| dodanie produktu / usunięcie substratu | w lewo | nie |
| wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości) | w stronę mniejszej liczby moli gazów | nie |
| wzrost temperatury | w stronę reakcji endotermicznej | tak |
| dodanie katalizatora | brak przesunięcia – równowaga ustala się szybciej | nie |
Przykład: synteza amoniaku N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 jest egzotermiczna i zmniejsza liczbę moli gazów, więc wydajności sprzyjają wysokie ciśnienie i niska temperatura (w praktyce stosuje się temperaturę kompromisową i katalizator, aby reakcja była dostatecznie szybka).
Najczęstsze błędy na maturze
- Wstawianie stężeń początkowych zamiast równowagowych do wyrażenia na K.
- Pomijanie współczynników stechiometrycznych jako wykładników potęg.
- Uwzględnianie ciał stałych w wyrażeniu na stałą równowagi.
- „Katalizator przesuwa równowagę” – katalizator przyspiesza osiągnięcie równowagi, ale jej nie przesuwa.
- „Zmiana stężenia zmienia stałą równowagi” – K zależy tylko od temperatury.
Zobacz też: Stała równowagi w układach niejednorodnych · Ciała stałe i ciecze a stała równowagi · Reguła przekory w chemii · Konsekwencje odwracalności procesów · Chemia do matury – przewodnik po działach
Testy i zadania maturalne z odpowiedziami: Kinetyka i równowaga chemiczna →
