Reakcja odwracalna - Reversible reaction
Odwracalną reakcją jest reakcja, w których konwersja substratów i produktów konwersji produktów reagentów wystąpić jednocześnie.
A i B mogą reagować z formami C i D lub, w reakcji odwrotnej, C i D mogą reagować z formami A i B. Różni się to od procesu odwracalnego w termodynamice .
Słabe kwasy i zasady ulegają odwracalnym reakcjom. Na przykład kwas węglowy :
- H 2 CO 3 (l) + H 2 O (l) ⇌ HCO 3 − (aq) + H 3 O + (aq) .
Te stężenia reagentów i produktów w mieszaninie równowagi jest ustalona przez stężeń analitycznych odczynników (A i B lub C i D) i stałą równowagi , K . Wielkość stałej równowagi zależy od zmiany energii swobodnej Gibbsa dla reakcji. Tak więc, gdy zmiana energii swobodnej jest duża (ponad około 30 kJ mol- 1 ), stała równowagi jest duża (log K > 3), a stężenia reagentów w równowadze są bardzo małe. Taka reakcja jest czasami uważana za reakcję nieodwracalną, chociaż nadal oczekuje się, że niewielkie ilości reagentów będą obecne w układzie reagującym. Naprawdę nieodwracalną reakcję chemiczną zwykle osiąga się, gdy jeden z produktów opuszcza układ reakcyjny, na przykład, podobnie jak dwutlenek węgla (lotny) w reakcji
- CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O + CO 2 ↑
Historia
Koncepcja reakcji odwracalnej została wprowadzona przez Bertholleta w 1803 roku, po tym jak zaobserwował powstawanie kryształów węglanu sodu na brzegu słonego jeziora (jednego z jezior natronowych w Egipcie, w wapieniu ):
- 2NaCl + CaCO 3 → Na 2 CO 3 + CaCl 2
Uznał to za odwrotność znanej reakcji
- Na 2 CO 3 + CaCl 2 → 2NaCl + CaCO 3
Do tego czasu uważano, że reakcje chemiczne zawsze przebiegają w jednym kierunku. Berthollet argumentował, że nadmiar soli w jeziorze pomógł popchnąć „odwrotną” reakcję w kierunku tworzenia węglanu sodu.
W 1864 r. Waage i Guldberg sformułowali swoje prawo masowego działania, które określało ilościowo obserwację Bertholleta. W latach 1884-1888 Le Chatelier i Braun sformułowali zasadę Le Chateliera , która rozszerzyła tę samą ideę na bardziej ogólne stwierdzenie wpływu czynników innych niż koncentracja na położenie równowagi.
Kinetyka reakcji
W przypadku reakcji odwracalnej A⇌B, krok do przodu A→B ma stałą szybkości, a krok wstecz B→A ma stałą szybkości . Stężenie A jest zgodne z następującym równaniem różniczkowym:
-
.
( 1 )
![{\ Displaystyle {\ Frac {d [A]} {dt}} = - k_ {\ tekst {1}} [A] + k_ {\ tekst {-1}} [B]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1b829cc1998e950ea46071038b3d28687d0f878b)
Jeśli weźmiemy pod uwagę, że stężenie produktu B w dowolnym momencie jest równe stężeniu substratów w czasie zero minus stężenie substratów w czasie , możemy ustawić następujące równanie:
-
.
( 2 )
![{\ Displaystyle [B] = [A] _ {\ tekst{0}} - [A]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0160384d4fec5b1dff689c686e91bdb9aa34f0c6)
- .
![{\ Displaystyle {\ Frac {d [A]} {dt}} = - k_ {\ tekst{1}} [A] + k_ {\ tekst {-1}} ([A] _ {\ tekst{0} }-[A])}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/edd8b0ad9093979815714c89aad87eb98ad30aed)
Rozdzielenie zmiennych jest możliwe i używając wartości początkowej otrzymujemy:
=[A]_{0}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c7091d40392dcd39a4791ff940043b521ea14d96)
![{\ Displaystyle C = {\ Frac {{- \ ln} (-k_ {\ tekst {1}} [A] _ {\ tekst {0}})} {k_ {\ tekst {1}} + k_ {\ Tekst 1}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e68a01fa14373f62142b54a523bc64926a27cfe2)
i po pewnej algebrze dochodzimy do końcowego wyrażenia kinetycznego:
- .
![{\ Displaystyle [A] = {\ Frac {k_ {\ tekst {-1}} [A] _ {\ tekst {0}}} {k_ {\ tekst {1}} + k_ {\ tekst {-1} }}}+{\frac {k_{\text{1}}[A]_{\text{0}}}{k_{\text{1}}+k_{\text{-1}}}}\ exp {{(-k_{\text{1}}+k_{\text{-1}}})t}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e066314d0c5c6518785e38b10b1e5c3acf7e8039)
Stężenie A i B w nieskończonym czasie zachowuje się następująco:
![{\ Displaystyle [A] _ {\ infty} = {\ Frac {k_ {\ tekst {-1}} [A] _ {\ tekst {0}}} {k_ {\ tekst {1}} + k_ {\ Tekst 1}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7a472057e6969083895bf550e3839f7b9bbb7b3)
![{\ Displaystyle [B] _ {\ infty} = [A] _ {\ tekst {0}} - [A] _ {\ infty} = [A] _ {\ tekst {0}} - {\ Frac {k_ {\text{-1}}[A]_{\text{0}}}{k_{\text{1}}+k_{\text{-1}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a6b5bb52715c8cda6b30e16abd1f76f3cd8d382)
![{\ Displaystyle {\ Frac {[B] _ {\ infty}} {[A] _ {\ infty}}} = {\ Frac {k_ {\ tekst {1}}}{ k_ {\ tekst {-1} }}}=K_{\text{eq}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a7839fbfff514aaa89d68e38c8dd91bfe152822)
![{\ Displaystyle [A] = [A] _ {\ infty} + ([A] _ {\ tekst {0}} - [A] _ {\ infty}) \ exp (-k_ {\ tekst {1}} +k_{\text{-1}})t}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/352bf5b4cdbd18de47726b79e4a037623f78d8ac)
W ten sposób wzór można zlinearyzować w celu wyznaczenia :
![{\ Displaystyle \ ln ([A] - [A] _ {\ infty}) = \ ln ([A] _ {\ tekst {0}} - [A] _ {\ infty}) - (k_ {\ tekst {1}}+k_{\text{-1}})t}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1224f5264515a79cd10322a680f25b43c1b4e0a3)
Aby znaleźć poszczególne stałe i , wymagany jest następujący wzór:
![{\ Displaystyle K_ {\ tekst {równ}} = {\ Frac {k_ {\ tekst {1}}} {k_ {\ tekst {-1}}}} = {\ Frac {[B] _ {\ infty} }{[A]_{\infty }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b62cb0b9b9cddee6c68ca99417c8101a1e43d78)
Zobacz też
- Równowaga dynamiczna
- Równowaga chemiczna
- Nieodwracalność
- Mikroskopowa odwracalność
- Statyczna równowaga