If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Механизми на реакция

Определение за механизми на реакция, междинни продукти и стъпка, която ограничава скоростта. Как да оцениш даден механизъм на реакция със закона за скоростта.

Основни идеи

  • Механизмът на реакцията описва поредицата от елементарни реакции, които трябва да протекат, за да превърнат реактантите в продукти.
  • Междинните продукти на реакцията се образуват в една стъпка, а в следващата стъпка на механизма на реакцията се консумират.
  • Най-бавната стъпка в механизма се нарича скорост-определяща стъпка или скорост-ограничаваща стъпка.
  • Крайната скорост на реакцията се определя от скоростите на на стъпките до стъпката,определяща скоростта (включително).

Въведение: Закон за скоростта и механизми на реакция

Едно от най-полезните приложения на кинетиката е възможността от скоростите на реакцията да се изведе механизма на реакцията. Механизмът на реакция описва последователността от елементарни стъпки, които се изпълняват, за да се стигне от реактант до продукт. За начало да разгледаме следващата реакция между азотен диоксид и въглероден оксид:
start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, plus, start text, C, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, right arrow, start text, N, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, plus, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis
Въз основа на балансираната реакция можем да предположим, че тази реакция ще протече с един сблъсък а молекула азотен диоксид и молекула въглероден оксид. С други думи предполагаме тази елементарна реакция.
В този случай можем да използваме стехиометрията на балансираната реакция, за да предвидим закона за скоростта е първи порядък в start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript и първи порядък в start text, C, O, end text. За да проверим нашата хипотеза, ще изпълним няколко кинетични експеримента, за да получим следния закон за скоростта:
start text, с, к, о, р, о, с, т, end text, equals, k, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket, squared
Тъй като експерименталния закон за скоростта не съвпада с нашия предполагаем закон за скоростта, разбираме, че нашата реакция трябва да има повече от една стъпка. Реакциите, които се състоят от повече от една стъпка, се наричат комплексни реакции. Можем да използваме закона за скоростта, за да получим допълнителна информация за отделните стъпки, които могат да се изпълнят в механизма на реакцията.

Механизми на реакция и закон за скоростта

Една комплексна реакция прилича на сглобяването на кола на поточна линия, където всяка стъпка е молекулен сблъсък. Всеки сблъсък може да доведе до прекъсване и/или изграждане на една или повече химични връзки.
Химиците могат да предположат хипотетичен механизъм на реакция според експериментално определен закон за скоростта, както и според тяхната химична интуиция. Най-малкото, елементарните реакции, които съставят предложения механизъм трябва да се сумират до общата реакция. В тази статия ще научим как да анализираме механизъм на реакция с помощта на кинитеката (и малко химична интуиция).

Примери за механизми и междинни продукти на реакция

След като знаем, че реакцията между азотен диоксид и въглероден оксид не е елементарна реакция, можем да се потърсим алтернативни механизми, като следната реакция от две стъпки:
2NO2(g)бавноNO(g)+NO3(g)Елементарна стъпка 1NO3(g)+CO(g)бързоNO2(g)+CO2(g)Елементарна стъпка 2NO2(g)+CO(g)NO(g)+CO2(g)  Крайна реакция\begin{aligned}\cancel{2}\text{NO}_2(g) \quad\quad\quad &\xrightarrow{бавно}\text{NO}(g)+ \cancel{\text{NO}_3}(g)\quad{\text{Елементарна стъпка 1}}\\ \\ \cancel{\text{NO}_3}(g)+\text{CO}(g) &\xrightarrow{бързо} \cancel{\text{NO}_2}(g)+\text{CO}_2(g)\quad{\text{Елементарна стъпка 2}} \\\hline \\ \\ \text{NO}_2(g) + \text{CO}(g) &\xrightarrow{} \text{NO}(g) + \text{CO}_2(g)\quad\quad~~{\text{Крайна реакция}}\end{aligned}
Забележи, че съвкупността от елементарните стъпки дава общата реакция. Това трябва винаги да е изпълнено! Всъщност един от най-лесните начини да се изключи предложен механизъм на реакция е да се докаже, че елементарните му стъпки н се сумират до общата реакция.
Първата елементарна стъпка произвежда един от нашите продукти, start text, N, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis, както и ново съединение start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis. start text, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis е междинен продукт на реакцията. Междинните продукти се произвеждат в една стъпка и се консумират в някоя от следващите стъпки, затова не се появяват в уравнението на общата реакция или общия закон за скоростта.

Стъпка, определяща скоростта

Освен, че трябва да сме сигурни, че съвкупността от елементарни реакции ни дава уравнението на общата реакция, трябва да вземем предвид и скоростта на всяка елементарна стъпка. Скоростта на общата реакция се определя от скоростите на стъпките до най-бавната елементарна стъпка (включително). Най-бавната стъпка в механизма на реакция се нарича скорост-определяща стъпка или скорост-ограничаваща стъпка.
Скорост-ограничаващата стъпка за примерния механизъм от предишната секция е първата елементарна стъпка. Следователно ще очакваме крайната скорост на реакцията да бъде подобна на скоростта на реакцията на start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript от Елементарна стъпка 1.
Проверка на поняие: Какво би се случило със скоростта на реакцията, ако добавим катализатор, който да увеличи скоростта на Елементарна стъпка 2 10 пъти?
Избери един отговор:

Друг начин да покажем това е като налеем вода в бутилка през няколко фунии с различен диаметър. Най-малкият диаметър контролира скоростта, с която се пълни бутилката, без значение дали тази фуния се използва първа или последна. Ако наливаме течността в най-малката фуния по-бързо, само ще я препълним!
Ляво: вода от стъкленица се излива във фуния с малък диаметър, която се излива във фуния със среден диаметър, която се излива във фуния с голям диаметър, която се излива в ерленмайерова колба.
В средата: вода от стъкленица се излива във фуния със среден диаметър, която води до фуния с по-малък диаметър, която прелива и се излива във фуния с голям диаметър, а след това в ерленмайлерова колба.
Дясно: вода от стъкленица се излива във фуния със среден диаметър, която се излива във фуния с голям диаметър, която се излива във фуния с малък диаметър, която се излива в ерленмайерова колба.
Скоростта, с която водата се излива в последната колба, се определя от скорост-определящата стъпка, която е най-бавната стъпка. При тази най-бавна стъпка водата се излива през най-малката фуния. Снимка от UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3,0 US

Упражнение: Анализиране на механизъм

Да разгледаме предложения по-долу механизъм на реакция:
2NOбързоN2O2Елементарна стъпка 1N2O2+H2бавноN2O+H2Елементарна стъпка 2N2O+H2бързоN2+H2OЕлементарна стъпка 3\begin{aligned}2\text{NO}&\xrightarrow{бързо} {\text{N}_2\text{O}_2}\quad\quad\quad\quad{\text{Елементарна стъпка 1}}\\ \\ {\text{N}_2\text{O}_2}+\text{H}_2 &\xrightarrow{бавно} {\text{N}_2\text{O}}+\text{H}_2\text{O}~\quad{\text{Елементарна стъпка 2}}\\ \\ {\text{N}_2\text{O}}+\text{H}_2 &\xrightarrow{бързо} \text{N}_2+\text{H}_2\text{O}\quad\quad{\text{Елементарна стъпка 3}} \end{aligned}
Опитай да отговориш на следващите въпроси като използваш тази информация.
1. Каква е крайната реакция?
Избери един отговор:

2. Коя е скорост-определящата стъпка?
Избери един отговор:

3. Кои са междинните продукти на тази реакция?
Избери всички правилни отговори:

Как оценяваме механизъм на реакция?

Когато оценяваме предложен механизъм на реакция, трябва да проверим две неща:
  1. Уравненията на елементарните реакции се сумират до крайната реакция.
  2. Закона за скоростта на крайната реакция е съвкупност от скоростите на всяка елементарна стъпка.
След като веднъж имаме един или повече възможни механизми, които отговарят на този критерий, можем да проверим дали са подкрепени от следващите експериментални данни. Например ако в предложения механизъм има междинни продукти, можем да се опитаме да намерим тези междинни продукти в реакционната смес. Важно е да запомниш, че ако не можеш да наблюдаваш очакваните междинни продукти, това не означава, че трябва да отхвърлиш механизма, тъй като междинните продукти могат да бъдат в прекалено ниски концентрации, които не можеш да засечеш.

Обобщение

  • Механизмът на реакцията описва поредицата от елементарни реакции, които трябва да протекат, за да превърнат реактантите в продукти.
  • Междинните продукти на реакцията се образуват в една стъпка, а в следващата стъпка на механизма на реакцията се консумират.
  • Най-бавната стъпка в механизма се нарича скорост-определяща стъпка или скорост-ограничаваща стъпка.
  • Крайната скорост на реакцията се определя от скоростите на на стъпките до стъпката,определяща скоростта (включително).