Степень реакции

В физической химии и химической инженерии степень реакции — это величина, которая измеряет степень протекания реакции. Часто это относится конкретно к значению степени реакции при достижении равновесия. Обычно его обозначают греческой буквой ξ . Степень реакции обычно определяют в единицах количества ( моль ). Его ввёл бельгийский учёный Теофиль де Дондер .

Определение

Рассмотрим реакцию

А ⇌ 2 Б + 3 С

Предположим, что бесконечно малое количество реагента А превращается в В и С. Для этого необходимо, чтобы все три молярных числа изменились в соответствии со стехиометрией реакции, но они не изменятся на одинаковые величины. Однако при необходимости степень реакции можно использовать для описания изменений на общей основе. Изменение количества молей A можно представить уравнением : изменение B равно , а изменение C равно . ^[1] ${\displaystyle dn_{i}}$ ${\displaystyle \xi }$ ${\displaystyle dn_{A}=-d\xi }$ ${\displaystyle dn_{B}=+2d\xi }$ ${\displaystyle dn_{C}=+3d\xi }$

Изменение степени реакции тогда определяется как ^{[2] [3]}

${\displaystyle d\xi ={\frac {dn_{i}}{\nu _{i}}}}$

где обозначает количество молей реагента или продукта, а – стехиометрическое число ^[4] реагента или продукта. Хотя это и менее распространено, мы видим из этого выражения, что, поскольку стехиометрическое число можно считать либо безразмерным, либо иметь единицы моля, и наоборот, степень реакции можно рассматривать либо как единицу моля, либо как безразмерную мольную долю. ^{[5] [6]} ${\displaystyle n_{i}}$ ${\displaystyle i^{th}}$ ${\displaystyle \nu _{i}}$ ${\displaystyle i^{th}}$

Степень реакции представляет собой степень прогресса, достигнутого в направлении равновесия в химической реакции . Рассматривая конечные изменения вместо бесконечно малых, можно записать уравнение степени реакции как

${\displaystyle \Delta \xi ={\frac {\Delta n_{i}}{\nu _{i}}}}$

Степень реакции обычно определяют как нулевую в начале реакции. Таким образом, изменение есть сама протяженность. Если предположить, что система пришла в равновесие, ${\displaystyle \xi }$

${\displaystyle \xi _{equi}={\frac {n_{equi,i}-n_{initial,i}}{\nu _{i}}}}$

Хотя в приведенном выше примере степень реакции была положительной, поскольку система сместилась в прямом направлении, это использование подразумевает, что в целом степень реакции может быть положительной или отрицательной, в зависимости от направления, в котором система смещается от своего первоначального состава. ^[7]

связи

Связь между изменением энергии реакции Гиббса и энергией Гиббса можно определить как наклон зависимости энергии Гиббса от степени реакции при постоянном давлении и температуре . ^[1]

${\displaystyle \Delta _{r}G=\left({\frac {\partial G}{\partial \xi }}\right)_{p,T}}$

Эта формула приводит к уравнению Нернста применительно к окислительно-восстановительной реакции, которая генерирует напряжение гальванического элемента . Аналогично можно определить связь между изменением энтальпии реакции и энтальпии. Например, ^[8]

${\displaystyle \Delta _{r}H=\left({\frac {\partial H}{\partial \xi }}\right)_{p,T}}$

Пример

Степень реакции является полезной величиной при расчетах равновесных реакций. Рассмотрим реакцию

2 А ⇌ Б + 3 С

где исходные количества равны , а равновесное количество А составляет 0,5 моль. Мы можем рассчитать степень реакции в равновесии из ее определения ${\displaystyle n_{A}=2\ {\text{mol}},n_{B}=1\ {\text{mol}},n_{C}=0\ {\text{mol}}}$

${\displaystyle \xi _{equi}={\frac {\Delta n_{A}}{\nu _{A}}}={\frac {0.5\ {\text{mol}}-2\ {\text{mol}}}{-2}}=0.75\ {\text{mol}}}$

Выше мы отмечаем, что стехиометрическое число реагента отрицательно. Теперь, когда мы знаем размер, мы можем переставить уравнение и вычислить равновесные количества B и C.

${\displaystyle n_{equi,i}=\xi _{equi}\nu _{i}+n_{initial,i}}$

${\displaystyle n_{B}=0.75\ {\text{mol}}\times 1+1\ {\text{mol}}=1.75\ {\text{mol}}}$

${\displaystyle n_{C}=0.75\ {\text{mol}}\times 3+0\ {\text{mol}}=2.25\ {\text{mol}}}$

Рекомендации

1. Аткинс, Питер; де Паула, Хулио (2006). Физическая химия (8-е изд.). п. 201. ИСБН 978-0-7167-8759-4.
2. Лисы, Ян Микулаш; Валко, Ладислав (1979). Приклады и методы физической химии . п. 593.
3. Улицкий, Ладислав (1983). Химический научный словарь . п. 313.
4. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «стехиометрическое число ν». дои :10.1351/goldbook.S06025
5. Канагаратна, Себастьян К. (1 января 2000 г.). «Использование степени реакции на вводных курсах». Дж. Хим. Образование . 77 (1): 52. дои : 10.1021/ed077p52 . Проверено 3 мая 2021 г.
6. Ханьяк-младший, Майкл Э. «Степень реакции или события реакции?» (PDF) . Кафедра химической инженерии Бакнеллского университета . 2014 . Проверено 3 мая 2021 г.
7. Вандезанде, Джонатон Э.; Вандер Грайнд, Дуглас А.; ДеКок, Роджер Л. (23 августа 2013 г.). «Экстремумы реакции: степень реакции в общей химии». Журнал химического образования . 90 (9): 1177–1179. дои : 10.1021/ed400069d . Проверено 10 июля 2021 г.
8. Лисы, Ян Микулаш; Валко, Ладислав (1979). Приклады и методы физической химии . п. 593.