Коэффициент реакции

В химической термодинамике коэффициент реакции ( Q _r или просто Q ) ^[1] представляет собой величину, которая обеспечивает измерение относительных количеств продуктов и реагентов, присутствующих в реакционной смеси, для реакции с четко определенной общей стехиометрией при конкретной момент времени. Математически он определяется как отношение активностей (или молярных концентраций ) компонентов продукта к активностям реагентов, участвующих в химической реакции, с учетом стехиометрических коэффициентов реакции в качестве показателей концентраций. В равновесии коэффициент реакции постоянен во времени и равенконстанта равновесия .

Общая химическая реакция, в которой α молей реагента A и β молей реагента B реагируют с образованием ρ молей продукта R и σ молей продукта S, может быть записана как

{\ Displaystyle {\ ce {\ it {\ alpha \, {\ rm {A {} + {\ it {\ beta \, {\ rm {B {} <=> {\ it {\ rho \, {\ rm {R {} + {\ it {\ sigma \, {\ rm {S {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

.

Реакция записывается как равновесная, хотя во многих случаях может показаться, что все реагенты с одной стороны были преобразованы в другую. Когда создается смесь A и B и разрешается протекание реакции, коэффициент реакции Q _r как функция времени t определяется как ^[2]

Q_{\text{r}}(t)={\frac {\{\mathrm {R} \}_{t}^{\rho }\{\mathrm {S} \}_{t}^{\sigma }}{\{\mathrm {A} \}_{t}^{\alpha }\{\mathrm {B} \}_{t}^{\beta }}},

где {X} _t обозначает мгновенную активность ^[3] вида X в момент времени t . Краткое общее определение (где П _j - произведение всех j -индексированных переменных, то же самое для П _i ):

Q_{\text{r}}(t)={\frac {\prod _{j}^{\mathrm {pdt.} }a_{j}^{\nu _{j}}(t)}{\prod _{i}^{\mathrm {rct.} }a_{i}^{\nu _{i}}(t)}},

где числитель представляет собой произведение активности продуктов реакции a _j , каждое из которых возведено в степень стехиометрического коэффициента ν _j , а знаменатель представляет собой аналогичный продукт активности реагентов. Все действия относятся к времени t .

Связь с K (константа равновесия) [ править ]

Поскольку реакция протекает с течением времени, если предположить, что энергия активации не делает реакцию чрезмерно медленной для данного временного интервала, активность частиц и, следовательно, коэффициент реакции изменяются таким образом, что снижает свободную энергию химической системы. . Направление изменения определяется свободной энергией реакции Гиббса соотношением

\Delta _{\mathrm {r} }G=RT\ln(Q_{\mathrm {r} }/K)

,

где K - постоянная, не зависящая от исходного состава, известная как константа равновесия . Реакция протекает в прямом направлении (в сторону меньших значений Q _r ), когда Δ _rG <0, или в обратном направлении (в сторону больших значений Q _r ), когда Δ _rG > 0. В конце концов, когда реакционная смесь достигает химического равновесия , активность компонентов (и, следовательно, коэффициент реакции) приближается к постоянным значениям. Константа равновесия определяется как асимптотическое значение, к которому приближается коэффициент реакции:

Q_{\mathrm {r} }\to K

и .

\Delta _{\mathrm {r} }G\to 0\quad (t\to \infty )

В принципе, реакции требуют бесконечного количества времени для достижения равновесия; на практике считается, что равновесие в практическом смысле достигнуто, когда концентрации уравновешивающих веществ больше не изменяются заметно (по сравнению с используемыми аналитическими приборами).

Если реакционная смесь инициализирована со всеми компонентами, имеющими активность единицы, то есть в их стандартных состояниях , то

Q_{\mathrm {r} }=1

и .

\Delta _{\mathrm {r} }G=\Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=-RT\ln K\quad (t=0)

Эта величина Δ _rG ° называется стандартной свободной энергией Гиббса реакции . ^[4]

Все реакции, независимо от того, насколько они благоприятны, являются равновесными процессами, хотя с практической точки зрения, если исходный материал не обнаруживается после определенного момента с помощью конкретного рассматриваемого аналитического метода, реакция считается завершенной. Например, сжигание октан, С ₈ Н ₁₈ + ²⁵ / ₂ O ₂ → 8CO ₂ + 9H ₂ O имеет Δ _ГГ ° ~ - 240 ккал / моль, что соответствует равновесной константы 10 ¹⁷⁵ , ряд так большой, что не имеет практического значения, так как их всего ~ 5 × 10 ²⁴молекул в килограмме октана. Тем не менее, в принципе, процесс является равновесным.

Примеры [ править ]

Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Сентябрь 2018 г. )

Ссылки [ править ]

^ Коэн, Э Ричард; Cvitas, Том; Фрей, Джереми Джи; Холстрем, Бертил; Кучицу, Козо; Марквардт, Роберто; Миллс, Ян; Павезе, Франко; Кря, Мартин, ред. (2007). Величины, единицы и символы в физической химии: (3-е изд.). Кембридж: Королевское химическое общество. DOI : 10.1039 / 9781847557889 . ISBN 978-0-85404-433-7.
^ Зумдал, Стивен; Зумдал, Сьюзан (2003). Химия (6-е изд.). Хоутон Миффлин. ISBN 0-618-22158-1.
^ При определенных обстоятельствах (см. Химическое равновесие ) каждый член активности, такой как {A}, может быть заменен термином концентрации, [A]. Тогда как коэффициент реакции, так и константа равновесия являются коэффициентами концентрации.
^ Стандартная свободная энергия реакции может быть определенаиспользованием разности между суммой стандартных свободных энергий образования продуктов и суммой стандартных свободных энергий образования реагентов,составляет стехиометрию:. ${\textstyle \Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=\sum _{\mathrm {prod.} }^{i}\nu _{i}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }-\sum _{\mathrm {react.} }^{j}\nu _{j}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }}$

Внешние ссылки [ править ]

Учебные пособия по коэффициенту реакции

учебник I
учебник II
учебник III

[1] Коэн, Э Ричард; Cvitas, Том; Фрей, Джереми Джи; Холстрем, Бертил; Кучицу, Козо; Марквардт, Роберто; Миллс, Ян; Павезе, Франко; Кря, Мартин, ред. (2007). Величины, единицы и символы в физической химии: (3-е изд.). Кембридж: Королевское химическое общество. DOI : 10.1039 / 9781847557889 . ISBN 978-0-85404-433-7.

[2] Зумдал, Стивен; Зумдал, Сьюзан (2003). Химия (6-е изд.). Хоутон Миффлин. ISBN 0-618-22158-1.

[3] При определенных обстоятельствах (см. Химическое равновесие ) каждый член активности, такой как {A}, может быть заменен термином концентрации, [A]. Тогда как коэффициент реакции, так и константа равновесия являются коэффициентами концентрации.

[4] Стандартная свободная энергия реакции может быть определенаиспользованием разности между суммой стандартных свободных энергий образования продуктов и суммой стандартных свободных энергий образования реагентов,составляет стехиометрию:. ${\textstyle \Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=\sum _{\mathrm {prod.} }^{i}\nu _{i}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }-\sum _{\mathrm {react.} }^{j}\nu _{j}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }}$

[1]