Коэффициент реакции

В химической термодинамике коэффициент реакции ( Qr или просто Q ) ^[1] — безразмерная величина, обеспечивающая измерение относительных количеств продуктов и реагентов, присутствующих в реакционной смеси для реакции с четко определенной общей _{стехиометрией} при определенной момент времени. Математически это определяется как отношение активностей ( или молярных концентраций ) видов 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 равен константе равновесия .

Общую химическую реакцию, в которой α -моль реагента A и β -моль реагента B реагируют с образованием ρ молей продукта R и σ молей продукта S, можно записать как

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

Реакция записывается как равновесие, хотя во многих случаях может показаться, что все реагенты на одной стороне перешли на другую сторону. Когда создается любая исходная смесь A, B, R и S и реакция протекает (как в прямом, так и в обратном направлении), коэффициент реакции Q _r как функция времени t определяется как ^{[ 2]}

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

где {X} _t обозначает мгновенную активность ^[3] вида X в момент времени t . Компактное общее определение:

${\displaystyle Q_{\text{r}}(t)=\prod _{j}[a_{j}(t)]^{\nu _{j}},}$

где П _j обозначает продукт по всем j -индексированным переменным, a _j ( t ) — активность вида j в момент времени t , а ν _j — стехиометрическое число (стехиометрический коэффициент, умноженный на +1 для продуктов и на –1 для запуска материалы).

Связь с K (константой равновесия)

По мере того, как реакция протекает с течением времени, активность видов и, следовательно, коэффициент реакции изменяются таким образом, что уменьшается свободная энергия химической системы. Направление изменения определяется свободной энергией реакции Гиббса соотношением

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

где K — константа, не зависящая от исходного состава, известная как константа равновесия . Реакция протекает в прямом направлении (в сторону больших значений Q _r ), когда Δ _r G < 0, или в обратном направлении (в сторону меньших значений Q _r ), когда Δ _r G > 0. В конце концов, по мере достижения реакционной смесью химического равновесия , активности компонентов (и, следовательно, коэффициент реакции) приближаются к постоянным значениям. Константа равновесия определяется как асимптотическое значение, к которому приближается коэффициент реакции:

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }\to K}$и . ${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G\to 0\quad (t\to \infty )}$

Временные рамки этого процесса зависят от констант скорости прямой и обратной реакций. В принципе, к равновесию приближаются асимптотически при t → ∞; на практике равновесие считается достигнутым в практическом смысле, когда концентрации уравновешивающих веществ больше не изменяются заметно в зависимости от используемых аналитических инструментов и методов.

Если реакционная смесь инициализируется со всеми компонентами, имеющими активность, равную единице, то есть в их стандартных состояниях , то

${\displaystyle Q_{\mathrm {r} }=1}$и . ${\displaystyle \Delta _{\mathrm {r} }G=\Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=-RT\ln K\quad (t=0)}$

Эта величина ΔrG _° называется стандартной свободной энергией реакции Гиббса . ^[4]

Все реакции, независимо от того, насколько они благоприятны, являются равновесными процессами, хотя на практике, если после определенного момента с помощью определенного аналитического метода не обнаруживается исходное вещество, говорят, что реакция идет к завершению.

В биохимии

В биохимии коэффициент реакции часто называют отношением масс-действующих веществ с символом . ${\displaystyle \Gamma }$

Пример

Горение октана C ₈ H ₁₈ + ²⁵ / ₂ O ₂ → 8CO ₂ + 9H ₂ O имеет Δ _r G° ~ – 240 ккал/моль, что соответствует константе равновесия 10 ¹⁷⁵ , число настолько велико, что практического значения не имеет, так как в килограмме октана содержится всего ~5 × 10 ^{24 молекул.}

Значение и приложения

Коэффициент реакции играет решающую роль в понимании направления и степени продвижения химической реакции к равновесию:

1. Условие равновесия : при равновесии коэффициент реакции (Q) равен константе равновесия (K) реакции. Это условие обозначается как Q = K, что указывает на равенство скоростей прямой и обратной реакций.
2. Прогнозирование направления реакции : если Q < K, реакция будет идти в прямом направлении до установления равновесия. Если Q > K, реакция будет идти в обратном направлении до достижения равновесия.
3. Степень реакции : разница между Q и K дает информацию о том, насколько реакция далека от равновесия. Большая разница указывает на большую движущую силу, заставляющую реакцию двигаться к равновесию.
4. Кинетика реакции : коэффициент реакции можно использовать для изучения кинетики обратимых реакций и определения законов скорости, поскольку он связан с концентрациями реагентов и продуктов в любой момент времени.
5. Определение константы равновесия : Измеряя концентрации реагентов и продуктов в равновесии, константу равновесия (K) можно рассчитать из коэффициента реакции (Q = K в равновесии).

Коэффициент реакции — мощное понятие в химической кинетике и термодинамике, позволяющее прогнозировать направление реакции, степень ее развития и определять константы равновесия. Он находит применение в различных областях, включая химическую инженерию, биохимию и химию окружающей среды, где понимание поведения обратимых реакций имеет решающее значение.

Рекомендации

1. Коэн, Э. Ричард; Цвитас, Том; Фрей, Джереми Дж; Холстрем, Бертиль; Кучицу, Кодзо; Марквардт, Роберто; Миллс, Ян; Павезе, Франко; Шарлатан, Мартин, ред. (2007). Величины, единицы и символы в физической химии (3-е изд.). Кембридж: Королевское химическое общество. дои : 10.1039/9781847557889. ISBN 978-0-85404-433-7.
2. Зумдал, Стивен; Зумдал, Сьюзен (2003). Химия (6-е изд.). Хоутон Миффлин. ISBN 0-618-22158-1.
3. При определенных обстоятельствах (см. Химическое равновесие ) каждый термин активности, такой как {A}, может быть заменен термином концентрации [A]. Тогда и коэффициент реакции, и константа равновесия являются коэффициентами концентрации.
4. Стандартную свободную энергию реакции можно определить, используя разность суммы стандартных свободных энергий образования продуктов и суммы стандартных свободных энергий образования реагентов с учетом стехиометрии: . ${\textstyle \Delta _{\mathrm {r} }G^{\circ }=\sum _{\mathrm {prod.} }^{i}\nu _{i}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }-\sum _{\mathrm {react.} }^{j}\nu _{j}\Delta _{\mathrm {f} }G^{\circ }}$

Внешние ссылки

Учебные пособия по коэффициенту реакции

• руководство I ^[1] Больше не доступно с ноября 2023 г.
• учебник II ^[2]
• учебник III ^[3]

1. "Урок 1 по веб-сайту Elchem" . Архивировано из оригинала 23 января 2020 года . Проверено 28 апреля 2021 г.
2. «Урок 2 по веб-сайту Elchem» . Архивировано из оригинала 23 января 2020 года . Проверено 28 апреля 2021 г.
3. "Урок 3 по веб-сайту Elchem" . Архивировано из оригинала 23 января 2020 года . Проверено 28 апреля 2021 г.