English
For a reaction at equilibrium, the equilibrium constant 平衡常数 links the amounts of products and reactants. For the reaction $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:
$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$
where the square brackets mean concentration in $\text{mol dm}^{-3}$.
Worked example. At equilibrium the mixture $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ has $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ and $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Find $K_c$.
$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$
(no units here, because the concentration powers cancel top and bottom).
Worked example (ICE table). $1.00\ \text{mol}$ each of $\text{H}_2$ and $\text{I}_2$ are sealed in a $1.00\ \text{dm}^3$ flask; at equilibrium $0.20\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ remains. Set out an ICE table (Initial, Change, Equilibrium):
|
$\text{H}_2$ |
$\text{I}_2$ |
$2\text{HI}$ |
| Initial |
1.00 |
1.00 |
0 |
| Change |
$-0.80$ |
$-0.80$ |
$+1.60$ |
| Equilibrium |
0.20 |
0.20 |
1.60 |
$0.80\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ reacted, so $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI formed. In the $1.00\ \text{dm}^3$ flask the concentrations equal the moles, so $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.
For reactions of gases, we use partial pressure 分压 instead of concentration. The partial pressure of a gas is the share of the total pressure that it provides. It is found from the mole fraction 摩尔分数 (the fraction of all the moles that are that gas):
$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$
The constant written with partial pressures is $K_p$.
Worked example. A gas mixture holds $2.0\ \text{mol}$ of $\text{N}_2$ and $6.0\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ at a total pressure of $200\ \text{kPa}$. Find the partial pressure of each gas.
There are $8.0\ \text{mol}$ in total, so
$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$
Worked example (a numeric $K_p$). For $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ the equilibrium partial pressures are $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ and $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Then
$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
the units coming from
$\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.
Only temperature changes the value of $K_c$ or $K_p$. Changing concentration or pressure shifts the position of equilibrium but leaves the constant unchanged; adding a catalyst changes neither the constant nor the position — it only makes equilibrium arrive faster.
العربية
بالنسبة لتفاعل في حالة توازن، تربط ثابت التوازن بين كميات النواتج والمتفاعلات. للتفاعل $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:
$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$
حيث تعني الأقواس المربعة التركيز بوحدة $\text{mol dm}^{-3}$.
مثال محلول. عند التوازن يحتوي الخليط $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ على $[\text{H}_2] = 0.20$ و$[\text{I}_2] = 0.20$ و$[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. أوجد $K_c$.
$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$
(لا توجد وحدات هنا، لأن أسس التركيزات تلغي بعضها في البسط والمقام).
مثال محلول (جدول ICE). تم إغلاق $1.00\ \text{mol}$ من $\text{H}_2$ و$\text{I}_2$ في دورق حجمه $1.00\ \text{dm}^3$؛ عند التوازن بقي $0.20\ \text{mol}$ من $\text{H}_2$. رتب جدول ICE (الأولي، التغير، التوازن):
|
$\text{H}_2$ |
$\text{I}_2$ |
$2\text{HI}$ |
| الأولي |
1.00 |
1.00 |
0 |
| التغير |
$-0.80$ |
$-0.80$ |
$+1.60$ |
| التوازن |
0.20 |
0.20 |
1.60 |
تفاعل $0.80\ \text{mol}$ من $\text{H}_2$، مما نتج عنه تكون $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ من HI. في الدورق حجمه $1.00\ \text{dm}^3$، تساوي التركيزات عدد المولات، لذا $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.
بالنسبة لتفاعلات الغازات، نستخدم الضغط الجزئي بدلاً من التركيز. الضغط الجزئي للغاز هو حصة الضغط الكلي التي يساهم بها. يُحسب من خلال الكسر المولي (وهو كسر عدد مولات ذلك الغاز من إجمالي المولات):
$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$
الثابت المكتوب باستخدام الضغوط الجزئية هو $K_p$.
مثال محلول. خليط غازي يحتوي على $2.0\ \text{mol}$ من $\text{N}_2$ و$6.0\ \text{mol}$ من $\text{H}_2$ عند ضغط كلي قدره $200\ \text{kPa}$. أوجد الضغط الجزئي لكل غاز.
إجمالي عدد المولات هو $8.0\ \text{mol}$، لذا
$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$
مثال محلول (ثابت $K_p$ رقمي). للتفاعل $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$، الضغوط الجزئية عند التوازن هي $p(\text{N}_2)=20$ و$p(\text{H}_2)=40$ و$p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. إذن
$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
الوحدات الناتجة عن
$\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.
فقط درجة الحرارة تغير قيمة $K_c$ أو $K_p$. إن تغيير التركيز أو الضغط يغير موضع التوازن لكن يترك الثابت دون تغيير؛ وإضافة عامل حفاز لا يغير أيًا منهما (لا الثابت ولا الموضع) — بل يسرع فقط الوصول إلى التوازن.