Механизъм на протичане на химичната реакция и формула за скоростта на реакцията

Механизъм означава поредица от елементарни стъпки, по които протича реакцията. Ако погледнем тази реакция, тук имаме азотен диоксид плюс въглероден монооксид, и получаваме азотен оксид и въглероден диоксид. Но изходните вещества не се превръщат в продуктите в една стъпка. Тук има поредица от елементарни стъпки, по които протича реакцията. Има механизъм за тази реакция, и един възможен механизъм за тази реакция, като механизма съдържа две елементарни стъпки. В първата стъпка NO2 плюс NO2 дават NO плюс NO3 и след това във втората елементарна стъпка току-що образуваният NO3 плюс СО дава NO2 плюс СО2. Всеки възможен механизъм трябва да се състои от елементарни стъпки, които заедно дават общата реакция. Ако съединя тези две стъпки, ще получим цялостната реакция. Хайде да сложим изходните вещества от едната страна, така че тук имаме нашите изходни вещества, това е NO2 плюс NO2 плюс NO3 плюс СO. Сега да съберем всички продукти от другата страна, всички тези неща, NO плюс NO3 плюс NO2 плюс CO2 Сега поглеждаме двете страни, изходните вещества и продуктите, и да видим дали можем да задраскаме нещо. Имаме NO2 отляво и отдясно, значи ги задраскваме. Имаме също така NO3 отляво и отдясно, които също задраскваме. Да видим какво ни остана. Останаха ни NO2 плюс СО, азотен диоксид плюс въглероден монооксид, и после четири продукта, това са азотен оксид, NО, и също така въглероден диоксид, СО2. Обединяваме двете елементарни стъпки на механизма, обединяваме стъпка едно и две, и получаваме тази обща реакция. Тя е същата като тази горе. Това е възможният механизъм за тази реакция. Обърни внимание на наличието на NО3. Имаме този NО3, който получихме в първата елементарна стъпка, който се изразходва във втората стъпка, така че го наричаме междинно съединение. Това е междинен продукт. Той се получава в едната стъпка на реакцията, и се изразходва в другата стъпка. Междинните съединения не са изходни вещества, нито продукти, те са нещо, което понякога може да установим, и така разбираме какви са механизмите на протичане. Ако установиш някакво междинно съединение, това помага за разбиране на възможните механизми на реакцията. Възможните механизми трябва да отговарят на експериментално намерения закон за действие на масите за цялата реакция. Общата реакция е 1 NO2 плюс 1 СО, дават 1 NO плюс 1 СО2. Експерименталното кинетично уравнение е скоростта на реакцията е равна на скоростната константа по концентрацията на NO2 на втора степен. Значи реакцията ни е от втори порядък за азотния диоксид, и ако погледнем химичното уравнение, в него азотният диоксид има коефициент едно. Така че не можем просто да вземем коефициента и да използваме като степенен показател, тъй като експериментално определихме, че ще бъде две, а не едно. Можем да вземем коефициентите и да ги ползваме като степенни показатели само при елементарни реакции. Обърни внимание също така, че тази реакция е от нулев порядък по отношение на въглеродния монооксид. Затова той не участва в кинетичното уравнение. Нека да видим механизма на протичане, за да си обясним експерименталното кинетично уравнение. Механизмът в първата стъпка, получаваме междинното съединение NO3, и изглежда, че това е бавната стъпка, във втората стъпка вземаме междинния NO3 и се образува нов продукт. Това е бързата стъпка. Бавната стъпка на механизма се нарича скоростоопределяща стъпка, значи тази стъпка едно е скоростоопределящата стъпка. Причината това да е скоростоопределящата стъпка е... нека да разгледаме някои времена, за да разберем нещата по-добре. Нека това е първата стъпка, образуването на междинното съединение отнема една секунда. Междинното съединение се образува за една секунда. Втората стъпка е по-бърза в сравнение с първата. Тя отнема значително по-малко време, ще си измисля отново някакво число. Нека да отнема 1 по 10^(–8) секунди за протичане на втората стъпка. Какво е общото време за протичане на реакцията? Просто събираме тези две времена, 1 секунда плюс 1 по 10^(–8) секунди и получаваме приблизително една секунда за общото време за протичане на реакцията. Значи ефективната скорост на реакцията се определя от времето за протичане на бавната стъпка. Бавната стъпка отнема една секунда, и това е доста много, сравнено с общото време на реакцията, Ако търсим скоростта на цялата реакция, скоростта на обобщената реакция трябва да е равна на скоростта на скоростоопределящата стъпка, както видяхме от примера. Можем да определим кинетичното уравнение за скоростоопределящата стъпка, това е добро приближение за общата скорост на цялата реакция. Значи определяме скоростта на скоростоопределящата стъпка, защото това е една елементарна реакция. Стъпка едно е нашата скоростоопределяща стъпка, и това е една елементарна реакция, за която говорихме в предишното видео как се определя кинетичното уравнение на елементарна реакция. Добре, първо ще напиша, че скоростта на реакцията е равна на скоростната константа. За стъпка едно скоростната константа е К1, значи скоростната константа К1, по концентрацията на реагента, слагаме в скоби NO2, и понеже коефициентът е едно, спомни си, че за елементарните реакции можем да вземем коефициента и да го използваме за степенен показател, така че тук е на първа степен. След това тук имаме друго NO2, значи го умножаваме по концентрацията на NO2 и коефициентът отново е едно, защото това е елементарна реакция, коефициентът става степенен показател. Сега имаме кинетичното уравнение за скоростоопределящата стъпка, и даже можем да продължим нататък. Можем да кажем, че скоростта на скоростоопределящата стъпка е равна на скоростната константа К1 по концентрацията на NO2, която е повдигната на квадрат, нали? Концентрацията на NO2 на първа степен по концентрацията на NO2 на първа степен е равно на концентрацията на NO2 на втора степен. Това кинетичното уравнение, което току що написахме, има същият вид като експериментално определеното кинетично уравнение, значи този механизъм съответства на експерименталното кинетично уравнение на целия процес. Общата реакция е от втори порядък за азотния диоксид и от нулев порядък за въглеродния монооксид. Забележи, че въглеродният монооксид не присъства във втората стъпка, нали? Ето тук имаме въглероден монооксид, и това не е скоростоопределящата стъпка, затова така можем да си обясним защо реакцията е от нулев порядък за въглеродния монооксид. Забележи също, че К1 за скоростоопределящата стъпка, К1 е равна на К, скоростната константа на цялата реакция.