2.1 : Reakcje chemiczne

Zrównoważone równanie chemiczne dostarcza informacji o wzorach chemicznych reagentów i produktów biorących udział w przemianie chemicznej. Stechiometria reakcji pomaga przewidzieć, jaka ilość reagenta jest potrzebna do wytworzenia pożądanej ilości produktu lub, w niektórych przypadkach, ile produktu powstanie z określonej ilości reagenta.

Względne ilości reagentów i produktów przedstawione w zrównoważonym równaniu chemicznym są często określane jako ilości stechiometryczne. Jednakże w rzeczywistości reagenty nie zawsze występują w ilościach stechiometrycznych wskazanych w zrównoważonym równaniu.

W reakcji chemicznej reagent, który ulega zużyciu jako pierwszy i ogranicza ilość powstającego produktu, jest reagentem ograniczającym, podczas gdy druga substancja staje się reagentem nadmiarowym. Często stosuje się nadmiar jednego lub większej liczby reagentów, aby zapewnić całkowitą konwersję drugiego reagenta w produkt.

Rozważmy reakcję tworzenia się wody przedstawioną równaniem:

Stechiometria wskazuje, że dwa mole wodoru i jeden mol tlenu reagują, tworząc dwa mole wody; to znaczy wodór i tlen łączą się w stosunku 2:1.

Wyobraź sobie, że obecnych jest 5 moli wodoru i 2 mole tlenu. Stosunek reagentów wynosi teraz 5:2 (lub 2,5:1), czyli jest większy niż stosunek stechiometryczny wynoszący 2:1. Wodór jest zatem obecny w nadmiarze, a tlen jest reagentem ograniczającym. Reakcja całego dostarczonego tlenu (2 mole) spowoduje zużycie 4 moli z 5 moli dostarczonego wodoru, pozostawiając 1 mol wodoru nieprzereagowanego. Obliczenie ilości molowych każdego dostarczonego reagenta i porównanie ich z ilościami stechiometrycznymi przedstawionymi w zrównoważonym równaniu chemicznym jest jednym ze sposobów identyfikacji reagentów ograniczających i nadmiarowych.

Szybkość reakcji to zmiana ilości reagenta lub produktu w jednostce czasu. Szybkość reakcji określa się zatem poprzez pomiar zależności od czasu pewnej właściwości, która może być powiązana z ilością reagenta lub produktu.

Szybkość reakcji chemicznej można przedstawić na wykresie jako zmienność stężeń reagentów i produktów w funkcji czasu.

Odwracalna reakcja chemiczna reprezentuje proces chemiczny, który przebiega zarówno w kierunku do przodu (od lewej do prawej), jak i do tyłu (od prawej do lewej). Stan odwracalnej reakcji dogodnie ocenia się poprzez ocenę jej współczynnika reakcji (Q).

Dla odwracalnej reakcji opisanej przez iloraz reakcji wyprowadza się bezpośrednio ze stechiometrii zrównoważonego równania jako

gdzie indeks dolny c oznacza użycie stężeń molowych w danym wyrażeniu.

Gdy szybkości reakcji do przodu i do tyłu są równe, stężenia reagentów i produktów pozostają stałe w czasie, a układ znajduje się w równowadze. Specjalna podwójna strzałka służy do podkreślenia odwracalnego charakteru reakcji.

Ten tekst jest adaptacją;OpenStax Chemistry 2e, Section 4.3: Reaction Stoichiometry; Section 4.4: Reaction Yield; Section 12.1: Chemical Reaction Rates; Section 13.1 Chemical Equilibria, Section 13.2 Equilibrium Constants.