2.1 : Химические реакции

Сбалансированное химическое уравнение предоставляет информацию о химических формулах реагентов и продуктов, участвующих в химическом превращении. Стехиометрия реакции помогает предсказать, какое количество реагента необходимо для производства желаемого количества продукта или, в некоторых случаях, сколько продукта будет образовано из определенного количества реагента.

Относительные количества реагентов и продуктов, представленные в сбалансированном химическом уравнении, часто называют стехиометрическими количествами. Однако в действительности реагенты не всегда присутствуют в стехиометрических количествах, указанных в сбалансированном уравнении.

В химической реакции реагент, который расходуется первым и ограничивает количество образующегося продукта, является лимитирующим реагентом, а другое вещество становится избыточным реагентом. Избыток одного или нескольких реагентов часто используется для обеспечения полного превращения другого реагента в продукт.

Рассмотрим реакцию образования воды, представленную уравнением:

Стехиометрия показывает, что два моля водорода и один моль кислорода реагируют с образованием двух молей воды; то есть водород и кислород соединяются в соотношении 2:1.

Представьте себе, что имеется 5 молей водорода и 2 моля кислорода. Соотношение реагентов теперь составляет 5:2 (или 2,5:1), что превышает стехиометрическое соотношение 2:1. Следовательно, водород присутствует в избытке, а кислород является лимитирующим реагентом. Реакция всего поступившего кислорода (2 моль) поглотит 4 моля из 5 молей полученного водорода, оставив 1 моль водорода непрореагировавшим. Вычисление молярных количеств каждого предоставленного реагента и сравнение их со стехиометрическими количествами, представленными в сбалансированном химическом уравнении, является одним из способов идентификации лимитирующих и избыточных реагентов.

Скорость реакции – это изменение количества реагирующего вещества или продукта в единицу времени. Таким образом, скорость реакции определяется путем измерения временной зависимости некоторых свойств, которые могут быть связаны с количествами реагентов или продуктов.

Скорость химической реакции можно изобразить на графике как изменение концентраций реагентов и продуктов в зависимости от времени.

Обратимая химическая реакция представляет собой химический процесс, протекающий как в прямом (слева направо), так и в обратном (справа налево) направлениях. Статус обратимой реакции удобно оценивать, используя расчеты ее коэффициента реакции (Q). Для обратимой реакции, описанной следующим уравнением

коэффициент реакции получается непосредственно из стехиометрии сбалансированного уравнения как

Где нижний индекс c означает использование в выражении молярных концентраций.

Когда скорости прямой и обратной реакций равны, концентрации реагентов и продуктов остаются постоянными во времени и система находится в равновесии. Специальная двойная стрелка подчеркивает обратимый характер реакции.