Chemische transformationen


Vorhersage der Richtung der spontanen Evolution eines chemischen Systems

   

  • Nicht totale Transformation und Gleichgewichtszustand

  • Fortschrittsrate einer Reaktion

  • Reaktionsquotient Qr

  • Gleichgewichtskonstante K

  • Richtung der spontanen Evolution eines chemischen Systems

  • Funktionsprinzip einer elektrochemischen Zelle

  • Elektrische Kapazität einer Batterie



Nicht totale Transformation und Gleichgewichtszustand



Während bestimmter chemischer Umwandlungen wird keiner der Reaktanten vollständig verbraucht, folglich bringt der Endzustand des chemischen Systems Produkte und Reaktanten zusammen, deren Mengen sich im Laufe der Zeit nicht mehr verändern: Wir sagen, dass solche chemischen Umwandlungen nicht vollständig sind .

Eine chemische Reaktion wird als nicht vollständig bezeichnet, wenn im Endzustand keiner der Reaktionspartner vollständig verbraucht ist.


Anmerkung

Während einer nicht vollständigen chemischen Reaktion gibt es keinen einschränkenden Reaktanten, da kein Reaktant vollständig verbraucht wird .

Eine Transformation ist nicht vollständig, wenn sie in beide Richtungen erfolgen kann:

Wenn die Reaktanten „A“ und „B“ umgewandelt werden, um die Produkte „C“ in „D“ während einer nicht vollständigen Reaktion zu bilden, dann können die chemischen Spezies „C“ und „D“ auch als Reaktanten wirken und sich während der bilden Rücktransformation, die chemischen Spezies „A“ und „B“

Es finden also gleichzeitig zwei chemische Umwandlungen statt:

  • Vorwärtsrichtung a A + b B → c C + d D

(a, b, c und d sind die jeweiligen stöchiometrischen Koeffizienten von A, B, C und D)

  • und in indirekter Richtung c C + d D → aA + b B

Um die doppelte Transformation anzuzeigen, die während einer nicht totalen Reaktion stattfindet, ist ihre Gleichung mit einem Doppelpfeil (statt einem einfachen Pfeil) gekennzeichnet:

Transformation anzuzeigen


Wenn eine nicht totale Reaktion ihren Endzustand erreicht, bleiben die Stoffmengen konstant, da die chemischen Spezies mit der gleichen Geschwindigkeit verbraucht und produziert werden  :


Der Endzustand einer nicht totalen Reaktion entspricht einem Gleichgewicht, bei dem die Geschwindigkeit des Verschwindens jeder chemischen Spezies auch ihrer Bildungsgeschwindigkeit entspricht .


Der Endzustand einer nicht totalen Reaktion ist ein sogenanntes „  dynamisches  “ Gleichgewicht, das System ist nicht fixiert, die Materiemengen bleiben global konstant, aber die beiden Umwandlungen (in eine Richtung und in die entgegengesetzte Richtung) finden weiterhin statt .

Fortschrittsrate einer Reaktion


Die Fortschrittsrate ist eine Größe, die für eine nicht totale Reaktion definiert ist.

Es wird mit „ τ  “ (griechischer Kleinbuchstabe „tau“) bezeichnet und hat keine Einheit .

Sie ist definiert als das Verhältnis des Reaktionsfortschritts zum Endzustand „x f “  zum maximalen Reaktionsfortschritt „x max  “:


Fortschrittsrate einer Reaktion


mit x f und x max in Mol ( mol ) und einheitenlosem τ.

Interpretation des Reaktionsgeschwindigkeitswertes:

  • Ist τ = 0, so findet die Reaktion in der betrachteten Richtung nicht statt oder ist in der entgegengesetzten Richtung vollständig

  • Wenn 0 < τ < 0,5, dann verbleiben die Edukte in der Mehrzahl gegenüber den Produkten im Endzustand

  • Bei τ = 0,5 ist die Hälfte der Produkte im Endzustand verbraucht

  • Wenn 0,5 < τ < 1, dann sind die Produkte im Vergleich zu den Edukten im Endzustand in der Mehrzahl

  • Wenn τ = 1 ist, ist die Reaktion vollständig.


Reaktionsquotient Qr


Wenn ein chemisches System (im Gleichgewicht oder nicht) der Sitz einer nicht totalen Reaktion ist, die durch eine Gleichung der folgenden Form beschrieben wird:

a A + b B ⇆ c C + d D

Dann ist der Reaktionsquotient die mit „Q r  “ bezeichnete Größe ohne Einheit, die zu jedem Zeitpunkt der chemischen Umwandlung durch die folgende Beziehung definiert ist:


Reaktionsquotient Qr

oder :

  • Qr ist der Reaktionsquotient (keine Einheit)

  • [A], [B] sind die molaren Konzentrationen der Reaktanten in Mol pro Liter ( mol .L -1 )

  • [C], [D] sind die molaren Konzentrationen der Produkte in Mol pro Liter ( mol .L -1 )

  • a, b, c, d sind die jeweiligen stöchiometrischen Koeffizienten der chemischen Spezies A, B, C und D

  • c° ist die molare Standardkonzentration (c° = 1 mol .L -1 )

Unter Berücksichtigung, dass die Standardkonzentration einen Wert von einem Mol pro Liter hat, können wir den Ausdruck des Reaktionsquotienten vereinfachen:


Reaktionsquotient Qr


Nur die gelösten chemischen Spezies greifen in den Ausdruck des Reaktionsquotienten ein (die unlöslichen Feststoffe , das Lösungsmittel greifen nicht ein).


Gleichgewichtskonstante K


Die Gleichgewichtskonstante einer nicht totalen Reaktion wird mit „K“ bezeichnet und entspricht dem Wert, den der Reaktionsquotient bei Erreichen des Gleichgewichts annimmt.

Wenn die Gleichgewichtskonstante einen Wert größer als 10 4 (10000) annimmt, können wir davon ausgehen, dass die Reaktion in Vorwärtsrichtung abgeschlossen ist.

 

Richtung der spontanen Evolution eines chemischen Systems


Es ist möglich, die Richtung vorherzusagen, in die sich ein chemisches System ändert , indem man seinen Reaktionsquotienten mit seiner Gleichgewichtskonstante vergleicht.



Wenn Qr = K ist, befindet sich das chemische System per Definition im Gleichgewicht (es entwickelt sich nicht weiter, die Konzentrationen bleiben konstant)



Wenn Qr < K (der Reaktionsquotient ist kleiner als die Gleichgewichtskonstante), entwickelt sich das System in Vorwärtsrichtung (die Konzentration der Reaktanten nimmt ab und die der Produkte zu)

Wenn Qr > K (der Reaktionsquotient ist größer als die Gleichgewichtskonstante), entwickelt sich das System in die indirekte Richtung (die Konzentration der Reaktanten steigt und die der Produkte sinkt)


Funktionsprinzip einer elektrochemischen Zelle


Eine elektrochemische Zelle entspricht immer dem Zusammenschluss zweier Halbzellen  :

Eine Halbzelle verbindet die beiden Mitglieder des gleichen oxidierenden-reduzierenden Paares .

Beispielsweise kann eine Halbzelle metallisches Kupfer (Cu) und Kupferionen (Cu 2+ ) vereinen, die dem Paar Cu 2+ /Cu angehören.

Diese beiden Paare werden nicht in Kontakt gebracht, da es sonst zu einer direkten Reaktion zwischen ihnen kommen würde, andererseits sind sie verbunden:

  • durch ein Element, das eine Ionenleitung zwischen den beiden Halbzellen bereitstellt (häufig eine Salzbrücke)

  • sowie durch den äußeren Stromkreis

Jede Halbzelle ist Sitz einer Halbreaktion:

  • Die Halbzelle mit dem stärksten oxidierenden Paar ist der Sitz einer Reduktion ( Elektronenaufnahme ), sie bildet die Kathode .

  • Die Halbzelle mit dem stärksten Reduktionsmoment ist der Ort der Oxidation ( Elektronenverlust ), sie bildet die Anode .

Elektronen fließen im Stromkreis von der Anode zur Kathode.

Um die elektrische Neutralität der Halbzellen zu gewährleisten, zirkulieren die Ionen durch die Salzbrücke:

  • Die (positiven) Kationen wandern zur Kathode (wo die negativen Elektronen landen)

  • Die ( negativen ) Anionen wandern zur Anode (die die negativen Elektronen verlassen)

Beispiel: die Kupfer-Zink-Batterie

Eine Kupfer-Zink-Batterie besteht aus dem Verein:


  • einer Halbzelle mit dem Paar Cu 2+ /Cu

  • einer Halbzelle mit dem Paar Zn 2+ /Zn


Die dem Cu2+/Cu-Paar entsprechende Halbzelle kann durch Eintauchen einer metallischen Kupferfolie in eine Kupfer-II-sulfatlösung erhalten werden.

Da Cu 2+ stärker oxidierend ist als Zn 2+ , ese Halbzelle der Sitz der Reduktion der Kupferionen gemäß folgender Halbgleichung:


Cu 2+ + 2. → Cu


Diese Halbzelle bildet die Kathode der Zelle

Die Halbzelle, die dem Zn 2+ /Zn-Paar entspricht, kann erhalten werden, indem man eine Platte aus metallischem Zink in eine Zinksulfatlösung eintaucht.

Diese Halbzelle ist der Sitz der Zinkoxidation gemäß folgender Halbgleichung:


Zn → Zn 2+ + 2e


Diese Halbzelle bildet die Anode der Zelle

Wenn diese Zelle arbeitet, zirkulieren Elektronen (im Kreislauf außerhalb der Zelle) von der Zinkanode zur Kupferkathode, während innerhalb der Zelle die Kationen zur Kupferkathode und die Anionen zur Kupferanode wandern .

Elektrische Kapazität einer Batterie


Definition 

Die elektrische Kapazität einer Batterie, allgemein mit Q max bezeichnet , entspricht der elektrischen Gesamtladung (in Coulomb), die diese Batterie in einem externen Stromkreis zirkulieren kann.

Sie lässt sich aus der Menge an Materie an Elektronen , die die Batterie zirkulieren kann, mit folgender Formel ausdrücken:


Q max = n e x F


In dieser Formel:

  • Q max ist die elektrische Kapazität der Batterie in Coulomb (C)

  • n e ist die Menge der gesamten Elektronenmaterie , die die Zelle in Mol ( mol ) zirkulieren kann.

  • F ist die Faradaysche Konstante, die der elektrischen Ladung von einem Mol Elektronen entspricht ( F = 6,02,10 23 x 1,6,10 -19 , also F = 9,65,10 4 C. mol -1 )


Die elektrische Kapazität entspricht der zwischen Oxidationsmittel und Reduktionsmittel der Zelle ausgetauschten elektrischen Ladung bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustandes (Qr = K).


Die elektrische Kapazität wird oft in einer anderen Einheit ausgedrückt: der Amperestunde (Symbol Ah oder Ah )


Die Amperestunde ist definiert als die elektrische Ladung, die ausgetauscht wird, wenn ein elektrischer Strom der Stärke I = 1 A über einen Zeitraum von einer Stunde zirkuliert.

Aus dieser Definition folgt die folgende Äquivalenz:

1 Ah = 3600 C


Daher können wir Coulomb in Amperestunden umwandeln, indem wir die Beziehung verwenden:

Ladung in Amperestunden = (Ladung in Coulomb)/3600


Umgekehrt:

Ladung in Coulomb = (Ladung in Amperestunde) x 3600


Die Betriebszeit einer Batterie hängt von ihrer elektrischen Kapazität (und damit von der Menge der darin enthaltenen Reagenzien ) ab, aber auch von der Stärke des elektrischen Stroms, den sie an den externen Stromkreis liefert .

Da die Stromstärke dem elektrischen Ladungsfluss entspricht, ausgedrückt durch die Beziehung:


Stromstärke dem elektrischen



oder

  • I ist die Intensität des fließenden elektrischen Stroms in Ampere (A)

  • Q ist die elektrische Ladung in Coulomb (C)

  • Δt ist die Zeit in der der Strom fließt in Sekunde (s)

Dann können wir die maximale Betriebszeit Δt max einer Batterie dank der folgenden Beziehung ausdrücken:


maximale Betriebszeit


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