Postęp reakcji



Informacje, które udało nam się zgromadzić na temat Postęp reakcji, zostały starannie sprawdzone i uporządkowane, aby były jak najbardziej przydatne. Prawdopodobnie trafiłeś tutaj, aby dowiedzieć się więcej na temat Postęp reakcji. W Internecie łatwo zgubić się w gąszczu stron, które mówią o Postęp reakcji, a jednocześnie nie podają tego, co chcemy wiedzieć o Postęp reakcji. Mamy nadzieję, że dasz nam znać w komentarzach, czy podoba Ci się to, co przeczytałeś o Postęp reakcji poniżej. Jeśli informacje o Postęp reakcji, które podajemy, nie są tym, czego szukałeś, daj nam znać, abyśmy mogli codziennie ulepszać tę stronę.

.

Postęp reakcji
Jednostki SI mol (mol)
Wymiar NIE
Natura Rozległy rozmiar skalarny
Zwykły symbol
Link do innych rozmiarów
Sprzężony Powinowactwo chemiczne

Przebieg reakcji , wprowadzony po raz pierwszy w 1922 r. Przez Théophile de Donder pod nazwą stopnia zaawansowania , pozwala scharakteryzować przebieg reakcji chemicznej między jej stanem początkowym (przed reakcją) a końcowym (po reakcji). Postęp reakcji wiąże się stechiometrycznie ze zmianami ilości wszystkich substancji chemicznych ( reagentów , produktów , obojętnych ) obecnych w środowisku reakcji .

Postęp reakcji i powinowactwo chemiczne , oba zdefiniowane przez de Dondera, zajmują centralne miejsce w badaniu reakcji chemicznych w ogóle, a równowag chemicznych w szczególności.

Definicje

Definicja postępu reakcji

Rozważmy reakcję chemiczną, której równanie bilansowe jest zapisane zgodnie z konwencją stechiometryczną  :

w którym są dowolne związki chemiczne , przez przypisanie wartości ujemnej współczynnikom stechiometrycznym reagentów i dodatniej wartości produktów:

  • na odczynnik  ;
  • za produkt  ;
  • dla obojętnego .

Przykład - Równowaga dwutlenku siarki i trójtlenku siarki.

Pisząc reakcję:
zgodnie z konwencją stechiometryczną:
mamy współczynniki stechiometryczne:
  • dla odczynników:
    • Dwutlenek siarki  :  ;
    • Tlen  :  ;
  • dla produktu trójtlenek siarki  : .

W początkowym momencie , A ilość każdego składnika jest wprowadzany do reaktora . Reakcja powoduje ewolucję tych wielkości: w każdej chwili odnotowuje się ilość dowolnego składnika . Mamy ewolucję ilości składnika  :

Równanie bilansowe powoduje, że ewolucja dowolnego innego składnika mieszaniny reakcyjnej jest powiązana z ewolucją składnika przez stosunek proporcjonalności:

W ten sposób zmienia się w ilości wszystkich składników mieszaniny reakcyjnej jest połączone The Postęp reakcji określa się , znany (grecką literę MPa ), w:

Postęp reakcji:

W każdej chwili ilość dowolnego składnika jest zatem równa:

Dotyczy to również bezwładnych. Rzeczywiście, ponieważ reakcja nie zmienia ilości substancji obojętnej, ma to w każdym momencie , co weryfikuje powyższy związek jako obojętny .

Niech będzie podstawową zmiennością ilości dowolnego składnika  :

W konsekwencji zachodzi elementarna zmienność przebiegu reakcji:

Postęp reakcji: na wszystko

Postęp reakcji jest rozległą zmienną składową (jeśli ilość każdego z reagentów i produktów jest podwojona, postęp reakcji również się podwaja). Jest on wyrażony w molach w układzie SI .

Kiedy składniki są wprowadzane do reaktora, z definicji mamy do czynienia z dowolnym składnikiem . Na początku reakcji zaawansowania jest bez budowy: . Zobaczymy później, że postęp reakcji może być zarówno pozytywny, jak i negatywny, w zależności od kierunku ruchu reakcji.

Uzależnienie od napisania reakcji

Ponieważ współczynniki stechiometryczne biorą udział w wyrażeniu postępu reakcji, zależy to od tego, jak jest zapisana. Weźmy na przykład równowagę dwutlenku siarki i trójtlenku siarki w obecności tlenu:

mamy pierwszy wyraz postępu reakcji:

Jeśli odwrócimy zapis reakcji:

mamy drugi wyraz postępu reakcji:

A jeśli zapiszemy reakcję w trzeci sposób, dzieląc przez dwa współczynniki stechiometryczne pierwszego zapisu:

mamy trzeci wyraz postępu reakcji:

Mamy więc, zgodnie ze sposobem zapisu reakcji:

Dlatego też, aby skorzystać z postępu reakcji, trzeba znać sposób, w jaki reakcja jest zapisana. W szczególności pierwsze i drugie zapisy reakcji podają postęp przeciwnych znaków.

Tabela postępów

Rozważamy każdą reakcję chemiczną. Ewolucję ilości odczynników i produktów można zapisać w postaci tabeli zwanej tabelą postępu . Pierwszy wiersz tabeli przedstawia równanie bilansu reakcji. W kolejnych wierszach, poniżej każdego składnika, kolejno podaje się początkową ilość składnika i jego ilość w dowolnym momencie , w zależności od postępu reakcji . Dlatego druga linia wskazuje stan początkowy, a trzecia aktualny stan . W czwartym wierszu można opcjonalnie podać ilości składników w stanie równowagi reakcji (stan końcowy, postęp ).

Przykład - synteza amoniaku.

0,8 mola na azocie , 3  mola od wodoru i 1  mola od amoniaku są wprowadzane do reaktora  .
Tabela postępów.

Progresja i regresja reakcji

Kiedy ilość gatunku wzrasta, albo  :

  • czy jest to produkt lub coś takiego  ;
  • czy jest reaktywny, czy coś takiego .

I odwrotnie, gdy ilość gatunku maleje, albo  :

  • czy jest to produkt lub coś takiego  ;
  • czy jest reaktywny, czy coś takiego .

W konsekwencji :

  • reakcja przebiega, gdy reagenty znikają i pojawiają się produkty : postęp reakcji wzrasta;
  • reakcja cofa się, gdy pojawiają się reagenty, a produkty znikają : postęp reakcji maleje.

W równowadze chemicznej reakcja może przebiegać w dowolnym kierunku. Dlatego postęp reakcji może się zwiększyć lub zmniejszyć. Ponieważ postęp jest zerowy na początku reakcji, w tej chwili może on następnie przyjąć wartość dodatnią (reakcja postępowała w porównaniu ze stanem początkowym), że ujemna wartość (reakcja cofnęła się w porównaniu do stanu początkowego). stan początkowy).

Z drugiej strony, ponieważ wyrażanie postępu reakcji zależy od sposobu, w jaki jest zapisana, pojęcia progresji i regresji reakcji zależą również od sposobu, w jaki została zapisana. Weźmy na przykład równowagę trójtlenku i dwutlenku siarki w obecności tlenu, mamy w szczególności pierwszy zapis:

i drugi zapis z zapisem odwrotnym:

Niezależnie od tego, co zostało napisane, pozytywny postęp oznacza, że ​​reakcja postępuje; jednak:

  • zgodnie z pierwszym zapisem:, zatem i , reakcja wytwarza trójtlenek siarki  ;
  • zgodnie z drugim zapisem:, a zatem i , reakcja wytwarza dwutlenek siarki .

I odwrotnie, negatywny postęp oznacza, że ​​reakcja się cofa; jednak:

  • zgodnie z pierwszym zapisem:, a zatem i , reakcja wytwarza dwutlenek siarki  ;
  • zgodnie z drugim zapisem:, a zatem i , reakcja wytwarza trójtlenek siarki .

Dlatego istnieją dwa przypadki w zależności od pożądanego produktu:

  • w wyniku reakcji powstaje jeśli lub  ;
  • reakcja wytwarza jeśli lub .

Ten przykład ilustruje potrzebę wiedzieć, jak jest zapisywana reakcja podczas korzystania z zaawansowania reakcji.

Maksymalny postęp reakcji, tempo postępu

W tym paragrafie rozważymy tylko przypadek postępującej reakcji: reagenty znikają i pojawiają się produkty, postęp reakcji jest dodatni. W przypadku reakcji regresyjnej wystarczy odwrócić zapis reakcji, aby znaleźć te same definicje.

Ponieważ ilości reagentów nie mogą być ujemne, reakcja może przebiegać tak dalece, jak to możliwe, aż ilość jednego z reagentów zostanie usunięta. Ten odczynnik, który ogranicza reakcję, nazywany jest odczynnikiem ograniczającym . Jeśli ilości wszystkich odczynników znoszą się w tym samym czasie, to dlatego, że zostały wprowadzone w proporcjach zgodnych ze stechiometrią. W przypadku ilości początkowej , ilość odczynnika , z , jest anulowana, jeśli . Maksymalny postęp reakcji jest najmniejszą z tak określonych wartości. Postęp maksymalnej reakcji , znany jest więc określony przez:

Maksymalny postęp reakcji: dla odczynnika

Tempo wzrostu , znany (grecką literą a ), to stosunek postępem reakcji do maksymalnej postępu reakcji:

Stopień postępu:

W zależności od kontekstu, tempo postępu jest również nazywane szybkością dysocjacji lub szybkością jonizacji . Tempo postępu jest bezwymiarowe , jego wartość mieści się w przedziale od 0 do 1; można ją również wyrazić procentowo w skali od 0 do 100. Jeżeli na końcu reakcji reakcja jest zakończona, to jest ona zatrzymywana, ponieważ jeden z reagentów jest zużyty. Jeśli reakcja jest równowagą chemiczną .

Przykład - Reakcja kwasowo- zasadowa kwasu etanowego.

Etanowego w wodzie, z wytworzeniem jonów octanu . Tabela postępu reakcji jest następująca.
Tabela postępów.
Końcowy postęp reakcji wynosi = 4,2 × 10-4 mol . Maksymalny postęp reakcji odpowiada całkowitemu zanikowi jonu octanowego: = 0,01  mola . Stopień zaawansowania wynosi zatem = 4,2 × 10 −2 , co można wyrazić procentowo: = 4,2% . Dlatego kwas etanowy jest bardzo słabo dysocjowany w wodzie. 

Aplikacje

Przykład obliczenia

Rozważamy reakcję równania bilansowego  :

Do reaktora wprowadza się następujące ilości początkowe:

  • mole wodoru  ;
  • mol tlenu  ;
  • moli wody .

Rozpatrujemy reakcję w momencie, gdy:

  • mol wodoru został zużyty, więc pozostaje 1  mol  ;
  • Pozostaje 0,5  mola tlenu;
  • Powstał 1  mol wody.

Przebieg reakcji można obliczyć obojętnie w odniesieniu do wszystkich substancji biorących udział w reakcji:

  • w odniesieniu do wodoru  :;
  • w odniesieniu do tlenu  :;
  • w stosunku do wody: .

Z drugiej strony, jeśli napiszemy:

przy tych samych początkowych i przekształconych ilościach mielibyśmy:

  • w odniesieniu do wodoru  :;
  • w odniesieniu do tlenu  :;
  • w stosunku do wody: .

Pokazuje to, że dla tych samych wielkości początkowych i przekształconych wartość postępu reakcji zależy od sposobu zapisu równania bilansowego.

Z drugiej strony, jeśli początkowe ilości są podwojone , w tej samej chwili przekształcone ilości reagentów są podwojone w porównaniu z poprzednim przypadkiem: pozostaje więc podwojona ilość. Obliczenia pokazują, że dla dwóch zapisów reakcji postępy są podwojone ( i ): postęp reakcji jest znaczną wielkością .

Badanie reakcji chemicznych

Szybkość reakcji

Szybkość reakcji jest równa pochodnej przebiegu reakcji w czasie , wyraża się w mol s −1  :

Szybkość reakcji:

Odnotowuje się szybkość reakcji w stosunku do objętości medium reakcyjnego , wyrażoną w mol · m -3  s −1  :

Szybkość reakcji:

Szybkość reakcji może przyjmować zarówno wartość dodatnią, gdy reakcja postępuje (postęp reakcji rośnie), jak i wartość ujemną, gdy reakcja się cofa (postęp reakcji maleje); w stanie równowagi .

W przypadku dowolnego składnika (reaktywnego, produktu lub obojętnego) szybkość pojawiania się jest równa:

Szybkość pojawienia się składnika  :

Podobnie jak szybkość reakcji, szybkość pojawiania się składnika może być dodatnia (składnik pojawia się) lub ujemna (składnik znika) lub zero (dla obojętnego). Gdy reakcja postępuje, to znaczy , szybkość pojawiania się odczynnika jest ujemna, a szybkość pojawienia się produktu pozytywnego. I odwrotnie, gdy reakcja ulega regresowi, to znaczy , szybkość pojawiania się reagenta jest dodatnia, a szybkość pojawiania się produktu ujemnego.

Wielkość reakcji

Dla danego dużej ilości The odpowiadającą ilość reakcja jest częściową pochodną w odniesieniu do postępu reakcji , przy stałym ciśnieniu i temperaturze :

Wielkość reakcji:

z:

Podobnie jak przebieg reakcji, wielkości reakcji zależą od zapisu reakcji, ponieważ ich wyrażenie obejmuje współczynniki stechiometryczne.

Wielkości reakcji są często zapisywane za pomocą operatora Lewisa  :

Entalpia swobodna reakcji jest równa przeciwieństwo powinowactwie chemicznym  :

z tej entalpii swobodnej . Te dwie wielkości, wraz z postępem reakcji, mają kluczowe znaczenie w badaniu równowag chemicznych .

Entalpia reakcji daje dla reakcji prowadzonych w stałym ciśnieniem, ciepło wydzielane w wyniku reakcji:

Jeśli reakcja jest egzotermiczna , w miarę wzrostu wydziela ciepło . Jeśli reakcja jest endotermiczna , pochłania ciepło w miarę jego wzrostu.

Stan spontanicznego rozwoju reakcji

Ponieważ z definicji postępu reakcji mamy dla każdego składnika  :

za wszystko

możemy pisać :

z tym potencjału chemicznego składnika . Z definicji zakłada się powinowactwo chemiczne  :

Powinowactwo chemiczne:

Przykład - weźmy przykład równowagi dwutlenku siarki i trójtlenku siarki w obecności tlenu.

Chemiczne powinowactwo jest napisane:
Wraz ze zmianą postępu reakcji:
Uzyskujemy:

Te różnice czterech termodynamicznych potencjałów są napisane:

  • entalpia  :

z:

Dlatego mamy również następujące zależności, które mogą definiować powinowactwo chemiczne:

Powinowactwo chemiczne:

Druga zasada termodynamiki wynika, że każda reakcja chemiczna może rozwijać się spontanicznie tylko wtedy, gdy:

Warunek rozwoju spontanicznego:

i dlatego może mieć tylko ten sam znak:

  • jeśli i reakcja postępuje;
  • jeśli i reakcja się cofa;
  • jeśli reakcja jest w równowadze.

Pod względem potencjału termodynamicznego zależność ta zależy od warunków pracy utrzymywanych na stałym poziomie podczas reakcji:

  • dla reakcji chemicznej prowadzonej przy stałej i stałej  : funkcja swobodnej entalpii może się tylko zmniejszyć;
  • dla reakcji chemicznej zachodzącej przy stałej i stałej  : funkcja darmowej energii może się tylko zmniejszyć.

Równowaga chemiczna

W równowadze chemicznej chemicznego powinowactwa wynosi zero: . Te potencjały chemiczne są opracowywane w:

z:

Pytamy:

  • standardowe powinowactwo chemiczne;
  • stała równowagi  ;
  • iloraz reakcji.

Rozwijamy powinowactwo chemiczne:

Stosując warunek spontanicznej ewolucji , mamy:

  • jeśli , wtedy i  : reakcja postępuje;
  • jeśli , to i  : reakcja się cofa;
  • jeśli , to  : reakcja jest w równowadze.

Działania chemiczne w iloraz reakcji są funkcją ciśnienia, temperatury i składu, i w związku z tym postęp reakcji: . Stała równowagi jest funkcją temperatury: . Równowaga przy danym ciśnieniu i temperaturze znajduje się więc w przebiegu reakcji, odpowiadając prawu działania masy  :

Prawo działania masy: w stanie równowagi

Przykład - Rozkład siarkowodoru amonu.

0,06 mola na stałe siarkowodoru amonu wprowadza się do reaktora,  który rozkłada się na amoniak i siarczku wodoru , zarówno w postaci gazowej. Objętość reaktora wynosiła 2,4  litra, a temperatura utrzymywana jest na stałym poziomie 20 ° C . Stała równowagi jest ważna . Piszemy tabelę postępów.  
Tabela postępów.
Substancję czysty istota jego aktywność chemiczną jest: . Działania gazów zapisuje się zgodnie z ich ciśnieniem cząstkowym , opracowanym zgodnie z prawem gazu doskonałego  :
z:
Mamy zatem w równowadze, zgodnie z prawem akcji masowej:
Otrzymujemy = 2,2 × 10-2 mola . Uzupełniamy tabelę postępów. 
Tabela postępów.
W tym przykładzie rozwiązanie prawa działania masy również prowadzi do rozwiązania = −2,2 × 10 −2 mol . W omawianym przypadku tego rozwiązania nie można przyjąć, ponieważ prowadziłoby to do ujemnych ilości amoniaku i siarkowodoru. 
Biorąc pod uwagę początkową ilość 0,808  mola amoniaku, jego aktywność modyfikuje się zgodnie z:
oraz prawo akcji masowej zgodnie z:
Przebieg reakcji wynosi = 6 x 10-4 mole . Modyfikujemy tabelę postępu. 
Tabela postępów.

Jednoczesne reakcje

Stechiometria

Albo środowisko reakcji, w którym występują równoczesne reakcje z udziałem składników , odnotowujemy różne reakcje zgodnie z:

reakcja  :
reakcja  :
reakcja  :

Zauważamy :

  • Reakcje indeksowe  ;
  • indeks składników  ;
  • współczynnik stechiometryczny składnika w reakcji , taki jak:
    • na odczynnik;
    • za produkt;
    • jeśli składnik nie wpływa na reakcję .

Niech będzie zmiana ilości składnika w wyniku reakcji . Zauważ, że mamy if , to znaczy, że składnik nie interweniuje w reakcję . Dla każdego ze składników mamy ogólne zróżnicowanie ilości w mieszaninie reakcyjnej  :

Dla każdej reakcji definiuje się postęp reakcji, taki jak dla każdego ze składników:

Przebieg reakcji  :

Dlatego mamy dla każdego składnika , reaktywnego, produktu lub obojętnego:

lub poprzez całkowanie między początkowym czasem a dowolnym czasem :

z:

  • ilości składnika w momencie początkowym  ;
  • ilość składnika w danej chwili  ;
  • postęp reakcji w tej chwili  ; Przypomnijmy, że z definicji był to początkowy czas .

Przykład - Reformowanie metanu za pomocą pary wodnej.

Uwzględnia się pięć składników ( ):
  • metan ( );
  • wody ( );
  • wodoru ( );
  • tlenek węgla ( );
  • dwutlenek węgla ( );
biorący udział w dwóch równoczesnych reakcjach ( ) w fazie gazowej:
  • Reakcja  :  ;
  • reakcja  : ( reakcja gazu na wodę ).
Dlatego współczynniki stechiometryczne są ważne:
Przyjmujemy początkową mieszankę składającą się wyłącznie z metanu i wody; początkowe ilości wodoru, tlenku węgla i dwutlenku węgla są zerami: . Ilości różnych składników zmieniają się zgodnie z poniższą tabelą postępu.
Tabela postępów.

Szybkość reakcji

Szybkość reakcji określa pochodna przebiegu tej reakcji w czasie  :

Szybkość reakcji  :

W konsekwencji dla każdego składnika ilość zmienia się w czasie w zależności od:

Szybkość pojawienia się składnika  :

Warunek rozwoju samoistnego, stan równowagi

Przy stałym ciśnieniu i temperaturze zmiana całkowitej entalpii swobodnej układu reakcyjnego jest równa:

z:

  • wolną od reakcji entalpię reakcji  ;
  • powinowactwo reakcji .

Potencjał chemiczny są funkcją całkowitej ilości tych składników w mieszaninie reakcyjnej: . Każda z entalpii wolnej reakcji jest zatem funkcją wszystkich zachodzących reakcji:

Druga zasada termodynamiki indukuje że przy stałym ciśnieniu i temperaturze, ogólna entalpia swobodna układu reakcyjnego może tylko zmniejszy się, a więc:

Warunek spontanicznej ewolucji dowolnego układu chemicznego w i stałe:

W stanie równowagi wszystkie wolne entalpie reakcji wynoszą zero:

W stanie równowagi: dla każdej reakcji

To wywołuje dla każdej reakcji prawo działania masowego:

Prawo akcji masowej: dla każdej reakcji

lub zestaw równań z niewiadomymi ( postęp reakcji).

Uwagi i odniesienia

Uwagi

  1. Encyclopædia universalis - powinowactwo chemiczne .
  2. Jean Hertz, „  Historia w wielkich krokach w termodynamice równowagi  ”, J. Phys. IV Francja , t.  122,, s.  3-20 ( czytaj online [PDF] , dostęp: 24 lipca 2020 ).
  3. Zielona Księga 2007 , s.  53.
  4. Trambouze i in. 2002 , s.  1.
  5. Zielona Księga 2007 , str.  48.
  6. Thomas Barilero, Matthieu Emond i Rémi Le Roux, Chemistry PCSI , Dunod , pot.  "Zapewniam konkursy",, 704,  str. ( ISBN  978-2-10-075338-3 , czytaj online ) , str.  18.
  7. Elise Marche, Séverine Bagard i Nicolas Simon Chemii: Visa do 1 st letniej zdrowia , Ediscience,, 200  pkt. ( ISBN  978-2-10-055464-5 , czytaj online ) , str.  46.
  8. Zielona Księga 2007 , s.  63.
  9. Soustelle 2015 , str.  17.
  10. Trambouze i in. 2002 , s.  11.
  11. Zielona Księga 2007 , s.  60.
  12. Kévin Moris, Philippe Hermann i Yves Le Gal, Chimie PCSI , Dunod , pot.  "Towarzysz",496  str. ( ISBN  978-2-10-056826-0 , czytaj online ) , str.  429.
  13. Zielona Księga 2007 , s.  58.
  14. Mesplède 2004 , s.  45.
  15. Mesplède 2004 , s.  53-54.
  16. Spontaniczna reakcja, w której słabnie, nazywana jest reakcją egzergoniczną . I odwrotnie, wywołana reakcja, w której rośnie, nazywana jest reakcją endergoniczną .
  17. Zielona Księga 2007 , s.  61.
  18. Bruno Fosset, Jean-Bernard Baudin i Frédéric Lahitète, Chemistry: Exercises and annals PC-PC * , Dunod ,, 152  pkt. ( ISBN  978-2-10-075338-3 , czytaj online ) , str.  105-106; 118.
  19. Jean-Léon Houzelot, Polyphase chemical reactors , vol.  J 4012, Engineering Techniques ( czytaj online ) , str.  6.
  20. Trambouze i in. 2002 , s.  12.
  21. Soustelle 2015 , s.  44-45.
  22. Infelta i wsp. 2006 , s.  172.
  23. Soustelle 2015 , s.  32.

Bibliografia

Zobacz też

Mamy nadzieję, że informacje, które zgromadziliśmy na temat Postęp reakcji, były dla Ciebie przydatne. Jeśli tak, nie zapomnij polecić nas swoim przyjaciołom i rodzinie oraz pamiętaj, że zawsze możesz się z nami skontaktować, jeśli będziesz nas potrzebować. Jeśli mimo naszych starań uznasz, że informacje podane na temat _title nie są całkowicie poprawne lub że powinniśmy coś dodać lub poprawić, będziemy wdzięczni za poinformowanie nas o tym. Dostarczanie najlepszych i najbardziej wyczerpujących informacji na temat Postęp reakcji i każdego innego tematu jest istotą tej strony internetowej; kierujemy się tym samym duchem, który inspirował twórców Encyclopedia Project, i z tego powodu mamy nadzieję, że to, co znalazłeś o Postęp reakcji na tej stronie pomogło Ci poszerzyć swoją wiedzę.

Opiniones de nuestros usuarios

Barbara Matusiak

Uznałem, że informacje, które znalazłem na temat zmiennej Postęp reakcji, są bardzo przydatne i przyjemne. Gdybym musiał umieścić 'ale', może to oznaczać, że nie jest wystarczająco wyczerpujące w swoim sformułowaniu, ale poza tym jest świetne.

Klaudia Milewski

Podane informacje o zmiennej Postęp reakcji są prawdziwe i bardzo przydatne. Dobrze.