- •§1. Скорость химической реакции.
- •§2. Закон действующих масс.
- •§3. Факторы, определяющие скорость реакции.
- •3.1 Энергия активации h*.
- •3.2 Температура.
- •3.3 Энтропия активации s*.
- •§4. Параллельные, последовательные и цепные реакции.
- •§5. Элементарная стадия реакции. Молекулярность стадии. Порядок реакции. Механизм реакции.
- •§6 Кинетика реакции разного порядка.
§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 (v1≫v2). 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:
NO2 + NO2 = •NO3 + NO
•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.
