Степень реакции - Extent of reaction

В физической химии и химической технологии , степень реакции является величиной , которая измеряет степень , в которой протекает реакция. Обычно обозначается греческой буквой ξ . Степень реакции обычно определяется с использованием единиц количества ( молей ). Его ввел бельгийский ученый Теофиль де Дондер .

Определение

Рассмотрим реакцию

А ⇌ 2 В + 3 В

Предположим, что бесконечно малое количество реагента A превращается в B и C. Для этого требуется, чтобы все три числа молей изменились в соответствии со стехиометрией реакции, но они не будут изменяться на одинаковые количества. Однако степень реакции может быть использована для описания изменений на общей основе, если это необходимо. Изменение количества молей A может быть представлено уравнением , изменение B равно , а изменение C равно${\ displaystyle dn_ {i}}$${\ displaystyle \ xi}$${\ displaystyle dn_ {A} = - d \ xi}$${\ displaystyle dn_ {B} = + 2d \ xi}$${\ displaystyle dn_ {C} = + 3d \ xi}$

Тогда изменение степени реакции определяется как

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

где обозначает число молей г-го реагента и является стехиометрическим количеством в реагенте. Хотя это менее распространено, мы видим из этого выражения, что, поскольку стехиометрическое число может считаться безразмерным или иметь молевые единицы, наоборот, степень реакции может рассматриваться как имеющая единицы молей, либо как безразмерная мольная доля. ${\ displaystyle n_ {i}}$${\ displaystyle \ nu _ {я}}$${\ displaystyle i ^ {th}}$

Степень реакции представляет собой прогресс, достигнутый в достижении равновесия в химической реакции . Рассматривая конечные изменения вместо бесконечно малых изменений, можно записать уравнение для степени реакции в виде

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

Степень реакции обычно определяется как ноль в начале реакции. Таким образом, изменение - это сама степень. Предполагая, что система пришла в равновесие, ${\ displaystyle \ xi}$

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

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 ее первоначального состава.

связи

Связь между изменением энергии реакции Гиббса и энергией Гиббса может быть определена как наклон энергии Гиббса в зависимости от степени реакции при постоянном давлении и температуре .

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

Эта формула приводит к уравнению Нернста при применении к реакции окисления-восстановления, которая генерирует напряжение гальванического элемента . Аналогично может быть определена связь между изменением энтальпии реакции и энтальпии. Например,

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

Пример

Степень реакции - полезная величина в расчетах с равновесными реакциями. Рассмотрим реакцию

2А ⇌ В + 3 С

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

${\ displaystyle \ xi = {\ frac {\ Delta n_ {A}} {\ nu _ {A}}} = {\ frac {0,5 \ {\ text {mol}} - 2 \ {\ text {mol}} } {- 2}} = 0,75 \ {\ text {mol}}}$

Выше следует отметить, что стехиометрическое число реагента отрицательно. Теперь, когда мы знаем степень, мы можем изменить уравнение и вычислить равновесные количества B и C.

${\ Displaystyle n_ {равновесие} = \ xi \ nu _ {i} + n_ {начальное}}$

${\ displaystyle n_ {B} = 0,75 \ {\ text {mol}} \ times 1 + 1 \ {\ text {mol}} = 1,75 \ {\ text {mol}}}$

${\ displaystyle n_ {C} = 0,75 \ {\ text {mol}} \ times 3 + 0 \ {\ text {mol}} = 2,25 \ {\ text {mol}}}$

использованная литература