Kas ir līdzsvara konstantes?

Dažas ķīmiskās darbības notiek neatgriezeniski vienā virzienā. Viens piemērs tam ir ūdeņraža (H) gāzes sadedzināšana skābeklī (O), lai iegūtu ūdeni, kā parādīts formulā 2 H2 + O2 => 2 H2O. Pretēja reakcija, 2 H2O => 2 H2 + O2, šādos apstākļos nenotiek neatkarīgi no tā, cik ilgs laiks paiet. Pastāv atgriezeniskas reakcijas, kā ķīmiķis Klods-Luiss Bertolē atklāja 1803. gadā. Atgriezeniskas reakcijas notiek vienā virzienā, līdz reversās reakcijas kļūst par vislabvēlīgākajām, kā rezultātā rodas līdzsvars un ir iespējams aprēķināt līdzsvara konstantes.

Šādas līdzsvara konstantes ir iegūtas no matemātiskām attiecībām, kas ar daudzu zinātnieku centieniem atklātas laikā. Šīs attiecības izmanto reakcijas sistēmā izšķīdušo sugu koncentrāciju attiecības. Viens vienkāršs piemērs ir etiķskābes jonizācija. Vēl viens ir atgriezenisks gāzes slāpekļa tetroksīda sadalījums. Šajos, tāpat kā visos piemēros, līdzsvara konstantes ir atkarīgas no sistēmas apstākļiem, piemēram, temperatūras.

Etiķskābe sadalās par pozitīvu ūdeņraža jonu plus negatīvo acetāta jonu. Reakciju par atgriezenisku padara tas, ka šie joni var un var rekombinēties skābes molekulās. Citas etiķskābes molekulas pēc tam sadalās, lai aizstātu tās, kas ir rekombinējušās. Rezultāts ir līdzsvars, kas noved pie matemātiskas izteiksmes. Jonu un skābju koncentrācijas attiecas uz līdzsvara konstanti ar izteiksmi K = [H+][Ac-]/[HAc]. Loģiski, ka reversās reakcijas līdzsvara konstante ir šī K apgrieztā vērtība, jo skābes koncentrācija kļūst par skaitītāju un jonu koncentrācija kļūst par saucēju.

Slāpekļa tetroksīdam, kas satur slāpekli (N) un skābekli, ķīmisko reakciju raksta N2O4 ⇆ 2 NO2. Jebkuras izmaiņas šo divu sugu proporcijās slēgtā sistēmā ir atkarīgas no sistēmas spiediena izmaiņām; katrai tetroksīda molekulai, kas sadalās, veidojas divas slāpekļa dioksīda molekulas, palielinot spiedienu. Tas prasa enerģiju, un, pārsniedzot punktu, šķelšanās tiek nelabvēlīga. Vienādojums skan K = [NO2][NO2]/[N2O4]. Kas attiecas uz etiķskābi, apgrieztās reakcijas līdzsvara konstante, tāpat kā visām līdzsvara konstantēm visām reversajām reakcijām, ir šī K apgrieztā vērtība.

Neatgriezeniskas reakcijas pakļaujas tām pašām matemātiskām attiecībām kā reakcijas, kas ir atgriezeniskas. Tomēr šādos gadījumos saucējs kļūst vai nu 0, vai bezgalība, ja tiek pārbaudīta reakcija uz priekšu vai apgrieztā reakcija. Tas liecina par līdzsvara konstanti ar pretēju vērtību bezgalība vai 0. Šāda informācija ir bezjēdzīga. Interesanta ir arī iespēja virzīt reakciju līdz pabeigšanai, padarot to neatgriezenisku, no sistēmas noņemot vienu no produktiem, piemēram, caur puscaurlaidīgu membrānu, kas aiztur reaģentus.