Praktycznie każda reakcja chemiczna zachodząca w zamkniętym naczyniu jest w mniejszym bądź większym stopniu odwracalna. Z faktu tego możemy wyprowadzić wiele interesujących wniosków...
Prześledźmy to na przykładzie prostej reakcji S ⇌ P
W czasie t=0 w naczyniu mamy wyłącznie cząsteczki substratu. Zaczyna zachodzić reakcja S→P o stałej szybkości k1. Wzór na szybkość tej reakcji ma postać: v1=k1*[S]. Jak widzimy zależy ona wyłącznie od stałej (czyli łatwości przemiany substratu w produkt) oraz aktualnego stężenia substratu. Stężenie to z biegiem czasu maleje, a więc maleje również szybkość v1. W naczyniu zaczynają pojawiać się cząsteczki produktu i istnieje możliwość zajścia reakcji odwrotnej, czyli P→S o stałej szybkości k2. Analogicznie wzór na szybkość tej reakcji ma postać: v2=k2*[P]. Jako iż początkowo v1>v2, stężenie produktu rośnie w czasie, czyli rośnie również szybkość v2.
Dzieje się to wszystko aż do momentu, w którym v1=v2 (patrz wykres). Wówczas obie reakcje zachodzą z taką samą szybkością, zatem nie obserwujemy już zmian stężeń reagentów w czasie. Mówimy wtedy, że układ osiągnął stan równowagi. Pamiętaj natomiast, że jest to równowaga dynamiczna! W danym momencie tyle samo cząsteczek produktu powstaje w reakcji S→P, co ubywa w reakcji P→S.
Wyprowadźmy jeszcze wzór na stałą równowagi reakcji.
v1=v2
k1*[S] = k2*[P]
k1/k2 = [P]/[S]
Iloraz stałych szybkości reakcji k1/k2 jest oczywiście wielkością stałą i oznaczamy go jako K. Jest to stała równowagi reakcji S ⇌ P. Przeprowadzając identyczne rozumowanie dla bardziej skomplikowanych przykładów, możemy wyprowadzić wzór na stałą równowagi dowolnej reakcji chemicznej, który to znajdziesz na dołączonej grafice.
Na koniec dwie istotne uwagi:
- dla uproszczenia stała jest wielkością bezwymiarową, mimo iż do wzoru zawsze podstawiamy stężenia molowe
- w obliczeniach pomijamy reagenty w stałym stanie skupienia, ponieważ ich stężenie jest wielkością stałą i zostało już uwzględnione w wartości K.