化学动力学(二)
建立从基元步到过渡态的完整图像,掌握速率方程的推导与适用边界
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化学动力学(二)
建立从基元步到过渡态的完整图像,掌握速率方程的推导与适用边界
典型复杂反应——对峙反应
上节我们学的是单向反应——A 变成 B 就结束了。但现实中很多反应两边对打:A→B 的同时,B 也能变回 A。今天我们看这种「两边同时进行」的对峙反应。
进来的人=正反应,出去的人=逆反应;人数稳≠没人动
典型复杂反应——连锁反应
上页讲了对峙反应——正逆同时进行。现在看另一类:把 H₂ 和 Cl₂ 混在暗处无反应,一照光就剧烈化合——因为光产生了微量活性中心,引发了一连串反应。
一颗火星点燃一棵树(引发),燃烧的树飞溅火星点燃更多树(支化传播)
速率方程近似处理方法
上一节我们看到,对峙反应、连锁反应的机理一旦复杂起来,速率方程的推导就会陷入十几个未知数的迷宫。这时候化学家靠的不是硬算,而是几把「近似」的手术刀——前提是用得对。
备料区原料来回快(PEA)、传送带半成品不堆积(SSA)、最慢工序卡死整线(RDS),边界是各环节速度差
气体反应碰撞理论
上页用近似方法处理了复杂反应的速率方程,但始终绕开一个根本问题:分子间到底要怎样'碰',反应才真的发生?
齿形对得上=方位因子P;按得够用力=能量越过Ea;单位时间试几次=碰撞频率Z
过渡态理论
上一节碰撞理论里,我们要求「足够能量 + 正确取向」,但硬球模型其实处理不了酶催化、溶液反应这类场景。1935 年 Eyring 等人换了一个角度:不去追每条轨迹,而是统计整个势能面。
反应物与产物是两个山谷,山口就是鞍点;活化络合物正站在山脊最窄处
链式反应
爆炸为什么一点就着、瞬间蔓延?上页那些连锁反应的共同特征,可以提炼为一个正式概念——链式反应。
推倒第一张引发'链',每张倒下触发下一张,最后一张倒下对应链终止
光化学反应(一)
碰撞理论和过渡态理论讲的都是热活化:靠加热让分子越过能垒。但还有一条路径——用光子直接给分子能量。这就是光化学反应。
一把锁配一把钥匙,特定波长只激发匹配跃迁
光化学反应(二)
热反应靠温度推动分子,光反应靠光子激发。但一个光子究竟能撬动几个分子反应?——这就是量子产率要回答的问题,它揭示光化学反应的内在效率。
光子是那颗石子,扔进体系却带出一连串分子反应,涟漪远超起点
催化作用原理
上一节我们算过无催化剂时反应活化能 Eₐ 多大、速率常数 k 多小。工程师当然不会傻等——往体系里加一点点东西,把要翻的山削矮一截。这就是催化剂。
游客(反应物)要翻山(能垒),导游(催化剂)开隧道,全程陪同但自己未被消耗;正逆方向均适用
本节要点
- ✓复杂反应速率方程由决速步或稳态物种决定
- ✓碰撞理论与过渡态理论本质都是活化能垒问题
- ✓链反应需引发、传递、终止三要素协同
- ✓光化学核心是量子产率:一个光子≠一个产物分子
- ✓催化剂不改变 ΔG,只开辟更低能垒的反应通道
课后思考
先独立写下判断与理由,再逐题对照参考答案。
参考答案先打破正、逆速率相等并产生净反应,宏观性质随之改变;随后体系在新条件下逐渐建立新平衡。净反应方向取决于所改条件,不能一概理解为“立即反向”。
参考答案活性中心的生成可能超过消耗,链增长及后续支化会加快总反应;若产热超过散热,温度升高还会继续增速并放大失控风险。是否爆炸还取决于容器、链分支和终止机制等条件。
参考答案可从同一可逆反应的过渡态路径理解:正、逆方向对应同一势垒,催化剂可同时降低它;但焓变取决于反应物与产物的能级差,与路径上的峰高无关。只测正向速率还不足以直接确认逆向也加快。