Коэффициент реакции

В химической термодинамике коэффициент реакции ( Q _r или просто Q ) ^[1] является безразмерной величиной, которая обеспечивает измерение относительного количества продуктов и реагентов, присутствующих в реакционной смеси для реакции с четко определенной общей стехиометрией в определенный момент времени. Математически он определяется как отношение активностей ( или молярных концентраций ) видов продуктов к активностям видов реагентов, участвующих в химической реакции, принимая во внимание стехиометрические коэффициенты 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 моль продукта R и σ моль 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 были преобразованы в другую сторону. Когда делается любая начальная смесь A, B, R и S, и реакция продолжается (в прямом или 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 произведение 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 исходных материалов).

Отношение кК(константа равновесия)

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

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

где K — константа, не зависящая от начального состава, известная как константа равновесия . Реакция протекает в прямом направлении (к большим значениям Q _r ), когда Δ _r G < 0, или в обратном направлении (к меньшим значениям Q _r ), когда Δ _r G > 0. В конце концов, когда реакционная смесь достигает 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 реакции. В принципе, равновесие достигается асимптотически при t → ∞; на практике равновесие считается достигнутым в практическом смысле, когда концентрации уравновешивающих видов больше не изменяются ощутимо по отношению к используемым аналитическим приборам и методам.

Если реакционная смесь инициализируется всеми компонентами, имеющими активность, равную единице, то есть находящимися 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, Δ _r G° , называется стандартной свободной энергией Гиббса реакции . ^[4]

Все реакции, независимо от того, насколько они благоприятны, являются равновесными процессами, хотя на практике, если после определенной точки с помощью конкретного рассматриваемого аналитического метода не обнаруживается исходного материала, говорят, что реакция идет до конца.

В биохимии

В биохимии коэффициент реакции часто называют отношением масс к действующим веществам и обозначают его 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 , числу настолько большому, что оно не имеет практического значения, поскольку в килограмме октана содержится всего ~5 × 10 ^{24 молекул.}

Значение и применение

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) для реакции. Это условие представляется как Q = K, указывая на то, что скорости прямой и обратной реакции равны.
2. Прогнозирование направления реакции : Если Q < K, реакция будет протекать в прямом направлении до установления равновесия. Если Q > K, реакция будет протекать 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 для движения реакции 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 состоянии равновесия, можно рассчитать константу равновесия (K) из коэффициента реакции (Q = K в состоянии равновесия).

Коэффициент реакции — это мощное понятие в химической кинетике и термодинамике, позволяющее предсказывать направления 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.

Ссылки

1. Коэн, Э. Ричард; Цвитас, Том; Фрей, Джереми Г.; Холстрём, Бертил; Кучицу, Козо; Марквардт, Роберто; Миллс, Ян; Павезе, Франко; Квак, 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. Цумдаль, Стивен; Цумдаль, Сьюзен (2003). Химия (6-е изд.). Houghton Mifflin. 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 между суммой стандартных свободных энергий образования продуктов и суммой 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

Учебники по коэффициенту реакции

• Учебник I ^[1] Недоступно с ноября 2023 г.
• учебник II ^[2]
• учебник III ^[3]

1. "elchem ​​website tutorial 1". Архивировано из оригинала 23 января 2020 г. Получено 28 апреля 2021 г.
2. "elchem ​​website tutorial 2". Архивировано из оригинала 23 января 2020 г. Получено 28 апреля 2021 г.
3. "elchem ​​website tutorial 3". Архивировано из оригинала 23 января 2020 г. Получено 28 апреля 2021 г.