Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 17

Урок 3: Уравнение на Арениус и механизми на реакция

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

Основни идеи

Механизъм на химичната реакция наричаме последователността от елементарни стъпки (етапи), по които тя протича.
Реакция, която протича в две или повече стъпки (етапи) се нарича реакция с много стъпки или сложна реакция.
Междинни продукти наричаме вещества, които се образуват на някоя от междинните стъпки (етапи) и се усвяват (изконсумират) в следваща стъпка (етап).
Най-бавната стъпка (етап) в механизма на протичане на една реакция се нарича скоростоопределяща стъпка (етап).
Скоростоопределящия етап ограничава общата скорост и така определя закона за скоростта на цялата реакция.

Въведение: Сложни реакции

Едно от най-важните приложения на кинетиката е изучаването на механизмите на портичане на реакциите, т.е. последователните етапи, в които протичат химичните реакции. Да разгледаме, например, реакцията между азотен диоксид и въглероден монооксид:

NO_{2} + CO \to NO + {CO}_{2}

Въз основа на изравненото уравнение за протичане на реакцията можем да предположим, че реакцията протича при удар между молекула азотен диоксид и молекула въглероден монооксид. С други думи предполагаме, че реакцията е проста реакция.

[Какво е проста (елементарна) реакция?]

Ако това наистина е така, тогава формулата за определяне на скоростта на реакцията ще влючва коефициентите на реагиращите вещества в изравненото химично уравнение:

скорост на реакцията = k [NO_{2}] [CO]

Но при експеримантално наблюдение на тази реакция се оказва, че скоростта ѝ е равна на

скорост на химичната реакция = k [NO_{2}]^{2}

Тъй като експерименталните данни за скоростта на реакцията не съвпадат с тези, които очакваме за проста реакция, реакцията би трябвало да протича в повече от една стъпка. Реакциите, които протичат в две или повече стъпки (етапи), се наричат многоетапни или сложни реакции. Както ще видим в следващия раздел, можем да използваме експериментално получената формула за скоростта на протичане на реакцията, за да отгатнем отделните етапи, които може да са част от многоетапния механизъм на реакцията.

Многоетапен механизъм на химична реакция

Когато е известна формулата за скоростта на една реакция, химиците могат да започнат да търсят възможните механизми за нейното протичане. Възможният механизъм за протичане на реакцията трябва да отговаря минимум на следните две условия:

Формулите за отделните елементарни стъпки на механизма трябва да дават общата формула за цялата реакция.
Механизмът на протичане на реакцията трябва да съответства на експериментално установената формула за скоростта на химичната реакция.

Да използваме тези две условия, за да оценим един възможен механизъм за протичане на реакцията между

NO_{2}

CO

. Приема се, че тази реакция протича в две елементарни стъпки (етапа):

\begin{aligned} Етап 1: & NO_{2} + NO_{2} \overset{}{\to} NO + NO_{3} \\ Етап 2: & NO_{3} + CO \overset{}{\to} NO_{2} + CO_{2} \end{aligned}

Първо да проверим дали уравненията за тези два етапа дават общото уравнение на реакцията:

\begin{aligned} Стъпка 1: & NO_{2} + NO_{2} \overset{}{\to} NO + NO_{3} \\ Стъпка 2: & NO_{3} + CO \overset{}{\to} NO_{2} + CO_{2} \\ \overset{―}{} \\ Общо: & NO_{2} + CO \overset{}{\to} NO + CO_{2} \end{aligned}

Да! Обърни внимание, че и на едвата етапа има по една молекула

NO_{3}

, която не присъства в общото уравнение. В този случай

NO_{3}

е междинно съединение, което се образува в единия етап и се изразходва в следващия етап.

Сега да проверим дали механизъм в две стъпки съответства на експериментално изведената формула за скоростта. За тази цел трябва да определим кой от двата етапа е скоростоопределящ – най-бавният етап от реакцията. Тъй като реакцията не може да протече по-бързо от най-бавния етап, скоростоопределящият етап ограничава общата скорост на реакцията. Това е аналогично на ситуацията, когато едно автомобилно задръстване определя скоростта, с която автомобилите се движат по магистралата, дори други части от нея да са свободни за движение.

В предполагаемия механизъм за скоростоопределящ се счита етап 1:

\begin{aligned} Етап 1: & NO_{2} + NO_{2} \overset{б а в е н}{\to} NO + NO_{3} \\ Етап 2: & NO_{3} + CO \overset{б ъ р з}{\to} NO_{2} + CO_{2} \end{aligned}

Тъй като етап 1 ограничава скоростта на реакцията, уравнението за скоростта на този етап ще е същото като общото уравнение за скоростта. Следователно предполагаемото уравнение за скоростта на общата реакция е:

скорост на химичната реакция = k [NO_{2}]^{2}

Уравнението за скоростта на реакцията съответства на експериментално установената зависимост, която видяхме по-рано, така че е изпълнено и второто условие за определяне на механизма на реакцията. Тъй като са изпълнени и двете условия, можем уверено да заявим, че това е действителният механизъм на тази реакция.

Резюме

Механизъм на химичната реакция наричаме последователността от елементарни стъпки (етапи), по които тя протича.
Реакция, която протича в две или повече стъпки (етапи) се нарича реакция с много стъпки или сложна реакция.
Междинни продукти наричаме вещества, които се образуват на някоя от междинните стъпки (етапи) и се усвяват (изконсумират) в следваща стъпка (етап).
Най-бавната стъпка (етап) в механизма на протичане на една реакция се нарича скоростоопределяща стъпка (етап).
Скоростоопределящия етап ограничава общата скорост и така определя закона за скоростта на цялата реакция.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.