Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекция 8. ФХФ. Кинетика..doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
616.96 Кб
Скачать

§4. Параллельные, последовательные и цепные реакции.

Параллельными реакциями называют связанную систему реакций, имеющих одни и те же исходные вещества, но различные продукты реакции, например:

Скорость системы параллельных реакций равна сумме скоростей отдельных стадий: v = v1 + v2. Понятно, что общая скорость параллельных реакций определяется скоростью самой быстрой стадии. Например, при термическом разложении KClO3 в присутствии катализатора MnO2 предпочтителен первый путь (v1v2). Поэтому скорость превращеня KClO3 практически определяется скоростью v1.

Последовательными реакциями называют связанную систему отдельных стадий процесса, протекающих последовательно (одна за другой), причем продукты одной стадии являются исходными веществами другой: и .

Общая скорость такого сложного процесса определяется самой медленной (лимитирующей) стадией.

Цепной реакцией называется сложная реакция, где периодически повторяется несколько элементарных стадий, в которых расходуются и вновь возникают химически активные частицы (чаще всего – радикалы).

Большой вклад в развитие учения о цепных реакциях сделал советский ученый Н.Н. Семенов.

Семёнов Николай

Николаевич

(15.IV.1896 - 25.IX.1986)

Рассмотрим реакцию 2H2 + O2 = 2H2O, которая происходит по цепному механизму. Зарождение цели – стадия образования свободных радикалов из молекул

H2 + O2 = 2•OH

Далее следует продолжение цели за счет

•OH + H2 → H2O + •H

и процессы разветвления

•H + O2 → •O• + •OH

•O• + H2 → •H + •OH,

которые могут привести к лавинообразному процессу и даже взрыву.

Наконец, обрыв цепи – это элементарная стадия цепной реакции, приводящая к исчезновению радикалов:

•H + •H + M = H2,

где M – стенка сосуда или новая неактивная частица.

Бурное со взрывом взаимодействие H2 + O2 (взрыв гремучей смеси) протекает в определенных условиях.

Рисунок 2

Пределы воспламенения (взрыва) для реакции H2 + 1/2O2 = H2O.

§5. Элементарная стадия реакции. Молекулярность стадии. Порядок реакции. Механизм реакции.

Практически всегда стехиометрические уравнения, с помощью которых принято изображать химические реакции, не отражают реального пути перехода реагентов в продукты взаимодействия. Реагенты вначале превращаются в неустойчивые или относительно устойчивые промежуточные вещества (интермедиаты), которые далее реагируют ил друг с другом или с самими реагентами, или распадаются на какие-нибудь новые частицы. В итоге таких многоступенчатых превращений образуются продукты реакции. Природа интермедиатов, их количество время жизни, дальнейшие пути превращения у каждой реакции разные. Что всегда объединяет многоступенчатые превращения – так это непременное наличие элементарных стадий.

Элементарная стадия (Элементарный акт) – это единичный акт химического взаимодействия. Пример элементарной стадии, с которой начинается реакция окисления водорода кислородом:

H2 + O2 → 2•OH

Гидроксидные радикалы •ОH участвуют в последующих элементарных стадиях:

•OH + H2 → H2O + •H и так далее.

Время осуществления элементарного акта реакции очень мало: ~10-13 с.

Стехиометрическое уравнение элементарной стадии всегда реально отражает акт превращения. Например, в последней записи указаны исходные частицы (•OH и H2) и продукты их взаимодействия (H2O и •H); появление каких-либо иных частиц, кроме указанных, здесь невозможно.

Химическая реакция, состоящая из одной элементарной стадии, называется простой, или элементарной. Если же число элементарных стадий, обеспечивающих превращение исходных веществ в продукты, более одной, то такая реакция называется сложной, или многостадийной.

Совокупность всех элементарных стадий, реализующая стехиометрическое превращение исходных веществ в продукты реакции, называется механизмом реакции.

Главная характеристика элементарной стадии (элементарной реакции) является ее молекулярность, то есть минимальное число частиц, необходимое для реализации данной стадии. Различают мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные элементарные стадии.

Тетрамолекулярные стадии, вследствие крайней малой вероятности одновременного столкновения четырех частиц, неизвестны.

Примеры элементарных стадий разной молекулярности:

Br2 → •Br + •Br (мономолекулярная);

H2 + •Cl →•H + HCl (бимомекулярная);

•H +•H + X → H2 + X* (тримолекулярная);

в последнем примере X – это частица, уносящая избыток энергии водородных атомов.

Понятие молекулярности реакции применимо только к одностадийным процессам. Однако большинство реакций протекает в несколько отдельных стадий (чаще всего моно- или бимолекулярных). В качестве примера рассмотрим реакцию взаимодействия диоксида азота и монооксида углерода в газовой фазе:

NO2 + CO = NO + CO2 (8.6)

Установлено, что реакция протекает в две стадии:

  1. NO2 + NO2 = •NO3 + NO

  2. •NO3 + CO = NO2 + CO2

Каждую из этих стадий можно назвать бимолекулярной элементарной реакцией.

На первой стадии происходит столкновение двух молекул NO2, в результате чего атом кислорода переходит от одной из молекул NO2 к другой.

На второй стадии образовавшийся интермедиат •NO3 передает атом кислорода молекуле CO, при этом образуются молекулы CO2 и NO2. Интермедиат не входит в число реагентов и продуктов реакции, так как образуется в одной элементарной стадии и поглощается в другой.

Алгебраическое суммирование отдельных стадий I и II приводит к общему стехиометрическому уравнению реакции (8.6).

Для выяснения реакционного пути (механизма) процесса очень важно понятие порядка реакции.

Порядок реакции определяется суммой показателей степеней в кинетическом уравнении υ= , то есть суммой m + n.

Различают общий (суммарный) порядок реакции и порядок по каждому из взаимодействующих веществ, когда определяют один из показателей степени (m или n). Для установления порядка реакции необходимо установить самую медленную (лимитрующую) стадию, которая и будет определять общую скорость процесса.

В реакции (8.6) двум элементарным стадиям соответсвуют следующие кинетические уравнения:

медленная стадия: NO2 + NO2 = •NO3 + NO,

υ1= ;

быстрая стадия: •NO3 + CO = NO2 + CO2,

υ2=

Следовательно, реакция является реакцией второго порядка по реагенту NO2. Интермедиаты типа •NO3 обычно образуются в низких, экспериментально не обнаруживаемых концентрациях и не входят в общее выражение скорости процесса.