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中科大物理化学ch11(1).ppt

中科大物理化学ch11(1)

chenxinnust308
2012-10-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《中科大物理化学ch11(1)ppt》,可适用于工程科技领域

第十一章化学动力学基础(二)第十一章化学动力学基础(二)本章讨论反应速率理论及一些特殊反应的动力学反应速率理论主要包括碰撞理论、过渡态理论和单分子反应理论可应用于基元反应速率常数的理论计算。基元反应速率常数ki的组合总包反应的k反应速率常数的准确理论预示是一个远未解决的问题也是目前相对活跃的研究领域。§气相反应的硬球碰撞理论§气相反应的硬球碰撞理论一、理论假设硬球碰撞理论建立于年左右用于计算基元双分子气相反应的速率常数。硬球碰撞理论用到以下几个假设:)分子为硬球)分子A和分子B必须碰撞才能发生反应)(不是所有碰撞都发生反应)只有当沿碰撞分子中心联线方向的相对平动能超过某一阈能Ec时才能发生反应)反应过程中分子速率维持MaxwellBoltzmann平衡分布。a)硬球模型是一个粗略的近似因为大多分子结构、原子分子轨道不具球对称b)无效碰撞频率远大于(高能分子的)有效碰撞频率由无效碰撞之间进行的能量再分配足以弥补高能分子由于有效碰撞反应产生新物种而导致的动能损失。因而反应过程中体系分子速率维持MB分布。说明:二、双分子的互碰频率二、双分子的互碰频率首先假设A、B混合气中只有某一个A分子以平均速率uA运动而其他所有的(A和B)分子都是静止的则此A分子与B分子的碰撞频率为:混合气A、B分子间的碰撞频率严格的推导比较复杂在此只介绍简单处理方法但结果同样正确。ZAB=uA(rArB)(NBV)=uAdAB(NBV)()单位时间A扫过的碰撞体积NBV单位体积B分子数dAB有效碰撞直径(俗称并不严格因为不一定发生反应)。其中:uA(rArB)实际上B分子并非静止不动所以要用A相对于B的相对平均速率uAB来代替上式中的uA显然A、B碰撞时矢量uA、uB之间的夹角可以从~并且各向几率均等。如图:ZAB=uAdAB(NBV)()代入()式:ZAB=uAdAB(NBV)()则单位体积内所有运动着的A分子与B分子的碰撞频率为:由分子运动论得:若体系中只有一种A分子则单位体积内某一Ai分子与其它Aj(ji)分子的碰撞频率:单位体积内所有A分子间的碰撞频率即为:常温常压下ZAB~ms若每次碰撞均为可发生反应:ABP的有效碰撞则单位体积内A分子的消耗速率即为A、B分子的碰撞频率:这样的k计算值通常远远大于实验值可见并非每次碰撞都发生反应ZAB中仅一小部分是有效碰撞令q为有效碰撞分数则:ABP三、硬球碰撞模型三、硬球碰撞模型硬球分子A、B的总能量(动能)、相对运动能:总动能也可分解为两分子体系的质心运动能g和两个分子间的相对运动能r之和:mAmB:质心质量ug:质心速率ur:A、B分子相对速率=mAmB(mAmB):A、B分子折合质量显然质心整体运动能g对两个分子的碰撞反应没有贡献而相对平动能r则能衡量两个分子接近时的相互作用能的大小。碰撞参数与反应截面:考虑相对动能r时可设A分子以相对于B的速度ur向相对静止的B分子的运动。如图:相对速度ur与碰撞时的连心线AB的夹角为通过B球中心作ur的平行线两者相距为b可以用b的大小表示两个分子可达到的接近程度。碰撞参数:b=dABSin()当A分子与B分子正碰时=b=侧碰时b=dABSin没碰时b>dAB碰撞截面:c=bmax=dAB即球心落在此截面内的A分子都可与B分子相碰。分子相碰时其相对平动能在连心线方向上的分量(对反应有用)为:r=½(urCos)=½ur(Sin)=r(bdAB)并非每次碰撞都有效只有r超过某一值c时才能发生有效碰撞此c值称为化学反应的临界能或阈能。即:有效碰撞的必要条件:r(bdAB)c或:bdAB(cr)brbr为有效反应碰撞参数的最大值。r=r(bdAB)当碰撞参数:bbr时为有效碰撞。因此可定义反应截面:rbr=dAB(cr)=dABc(ur)bdAB(cr)br由上式:当rc时r=当rc时r随r的增加而增加。rbr=dAB(cr)=dABc(ur)四、由微观粒子反应计算反应速率常数四、由微观粒子反应计算反应速率常数设A、B为两束相互垂直的交叉粒子(原子、分子)流并设在交叉区域内只能发生单次碰撞(由于单位体积中粒子数很少)。A分子束的强度(单位时间通过单位截面的粒子数):当A通过交叉区域(x)时与(相对静止的)B粒子碰撞IA下降即:dIA(x)=IA(x)(NBV)dxIA在x处的下降量正比于A束的强度IA(x)、B粒子的浓度(NBV)及A通过交叉区域的距离dx。dIA(x)=IA(x)(NBV)dx比较等式右侧各项显然比例常数具有面积的量纲有碰撞截面特性。dIA(x)=IA(x)(NBV)dx事实上可以想象只有有效碰撞(b小小使A反弹)才能使A束强度IA下降即:dIA(x)=rIA(x)(NBV)dx…()又:dIA(x)=dur(NAV)=urd(NAV)=(dxdt)d(NAV)代入()式:dIA(x)=rIA(x)(NBV)dx…()d(NAV)dt=rIA(x)(NBV)=rur(NAV)(NBV)即微观反应速率常数:k(ur)=urr(ur)…()(dxdt)d(NAV)=rIA(x)(NBV)dxNAV、NBV:浓度单位为mr为ur的函数:r(ur)=dABc(ur)k(ur)=urr(ur)…()碰撞反应的分子相对速率ur服从MB平衡分布。分布函数:k(ur)=urr(ur)()所以宏观反应速率常数:将()、()式代入上式:k(ur)=urr(ur)()将硬球碰撞模型:r(r)=dAB(cr)代入上式得到简单碰撞理论(SCT)的微观速率常数kSCT(T):在微观反应速率的两边约掉一个L后右边多了L一次方。宏观速率常数kSCT为:将微观反应浓度项NAV、NBV用AL、BL表示:将mol折合质量M=Lmol气体常数R=kBLmol临界能(阈能)Ec=cL代入上式:对照前述由双分子碰撞频率得到的k:温度T越高有效碰撞分数q越大阈能Ec越高有效碰撞分数q越小。讨论:讨论:对于同分子双分子反应:AP五、反应阈能(Ec)与活化能Ea(T)、指前因子A(T)的关系五、反应阈能(Ec)与活化能Ea(T)、指前因子A(T)的关系则:注意此k(T)表达式与kSCT(T)的不同指数项含活化能Ea。讨论:讨论:)因为½RTkJmol(K时)Ec(~kJmol)所以可以认为EcEaEc很接近于活化能Ea。)简单碰撞理论(SCT)不能给出阈能Ec的计算方法但能给出Arrhenius指前因子A(T):并且得到:AT当T=KT=当T=KT=AA这与升温C反应速率k成倍增长相比可忽略不计。这说明在一定的高温时指前因子A(T)对T并不敏感。而且由于SCT本身比较粗糙因此AT这一预言关系在定量上是很粗糙的。例:在温度K双分子基元反应:COOCOO用粘度测量方程测得:d(O)=Ad(CO)=A计算SCT的A(T)。 解:平均温度为T=K若用K、K代替KA值只略微改变:。实验方法得到的A=mmols即计算值比实验值大倍。显然这一差别不能归咎于实验误差。事实上对于不少反应计算得到的A(T)值远高于实验值。因此k(T)表达式中还需在指前因子A(T)前增加一个修正因子P来校正。六、概率因子P六、概率因子P概率因子也叫空间因子、方位因子等。P采用概率因子P的解释是:)硬球模型忽略了分子的取向而实际碰撞分子必须正好处在发生反应的合适的方位上才能反应。例如对于基元反应:COOCOO认为如果CO的C端碰撞O就发生反应而CO的O端碰撞O则不会反应。这还是忽略O分子结构的情形。反应分子越复杂由于这种空间效应相应的P因子越小。仅当时才可能有反应。角:~角:~PASCT表示只有在某一分子取向的碰撞才可能反应PASCTexp{EaRT}则为进一步考虑了能量因素的情形。)硬球模型忽略了分子振动、转动等因素这些因素能使大部分的碰撞分子之间的能量传递需要一定时间(而刚性球体碰撞的能量传递无需时间)这就使得相碰的分子间在其能量未来得及完全传递前就分开了成为无效碰撞。反应分子越大这种影响越大P越小。七、碰撞理论的意义及缺陷七、碰撞理论的意义及缺陷意义:)碰撞理论对Arrhenius公式中的指前因子A(T)和指数项提出了较明确的物理意义:所计算的速率常数值对某些简单反应与实验值相符。)SCT提出了一些有用的概念如:碰撞参数b碰撞截面反应截面r反应阈能Ec等在反应速率理论发展中起了很大作用。)概率因子P:变化范围如此之大尚未有十分恰当全面的解释预测其大小则更加困难。原因在于SCT把分子看作硬球模型的确过于简单结果也就相当粗略了。缺陷:)用SCT计算k时Ec值还要由实验活化能Ea求得。因此碰撞理论还只是半经验的这在理论上并不完善。§过渡态理论(TST)§过渡态理论(TST)硬球碰撞理论无法给出准确的反应速率常数精确的理论必须考虑分子间真实的作用力:包括分子的内部结构及它们的振动和转动。年后Eyring等人在统计力学和量子力学发展的基础上提出了所谓的“过渡态理论”。一、基本假设一、基本假设)化学反应不只是通过简单碰撞就变成产物。作用在某一键上的力既与分子内力(如振动运动)有关又与分子间力有关。不能孤立、单独地处理某一个碰撞分子而必须设想两个碰撞分子形成一个单一的量子力学统一体称为“过渡态”。)由反应物形成“过渡态”需一定的活化能所以过渡态又称“活化络合物”活化络合物与反应分子间建立化学平衡:)过渡态分子不具有任何持久性和稳定性它只是在碰撞过程中的一特殊阶段并且一旦形成就有向产物转化的趋势。总反应的速度由“过渡态”转成产物的速率决定。二、基本物理模型势能面二、基本物理模型势能面分子之间的相互作用势能取决于分子间的相对位置。在“反应物过渡态产物”的转变过程中由于分子内(间)各原子核间距离的不断变化体系的势能也不断变化。体系势能随核间距变化的函数:EP(r)叫势能面。讨论讨论)核间距变量仅一个(如双原子分子)势能面EP(r)为一条二维曲线)核间距变量有二个(如线性三原子分子)势能面EP(r)为一个三维曲面)通常EP(r)的变量多于两个不能在三维空间得到EP曲面即无法作图表示但我们仍旧称EP(r)函数为势能面。在“反应物过渡态产物”的转变过程中体系的势能变化在EP(r)势能面上是沿着一条特定的路线进行的且在这条路线上形成过渡态需要的活化能最小。双原子分子体系的势能EP(r)双原子分子体系的势能EP(r)最常用的是莫尔斯(Morse)经验公式:式中r:分子中原子间的平衡核间距De:势能曲线的阱深度(绝对值)a:与分子结构特性有关的常数。排斥能()吸引能())当rr核间有排斥力)体系势能在平衡核间距r=r时最低:EP(r)=De如图所示:)当rr核间表现有吸引力(化学键力)一般地体系电子态处于基态如果分子处于振动基态(v=)则把基态分子离解为孤立原子需要的解离能D可以从光谱数据得到显然:D=DeE(E为零点能)D、De、E均为正值。简单反应的势能面简单反应的势能面研究最多的势能面是反应:ABCA…B…CABC式中A为原子BC,AB为双原子分子。例如反应:DHDHH 当A接近BC时BC键削弱开始形成过渡态(活化络合物)其势能面的振动自由度为:=(三变量函数)(平)(转)ABCA…B…CABC这三个变量可定为:rABrBCABC即:EP=EP(rABrBCABC)对于三变量的函数EP不能在三维空间中作势能曲面。可暂时固定ABC=则EP=EP(rABrBC)将rAB、rBC置于两个水平轴上(如x轴,y轴),将EP置于z轴上就可得到三维空间中的EP(rAB,rBC)势能曲面。EP=EP(rABrBCABC)曲面上任意一点的高度(z=EP)表示原子间距离为rAB、rBC时的体系势能对于不同的值若变化不是很大势能面有相似的轮廓。EP=EP(rABrBC)由量子力学可知在BC中间区域的电子几率密度最大所以当A沿着BC轴接近时A和BC分子的电子云重叠最少其Pauli排斥最小(相当于简单碰撞理论中的方位因子)。所以“共线碰撞”是最可几的有效碰撞。而能够形成反应的碰撞角度ABC应接近其平均值为(如上图)。下图所示为=的EP(rAB,rBC)势能面的俯视图实线表示势能面的等高线(势能面可通过计算得到)。由图可知这个势能面有两个山谷山谷的谷口分别对应于反应的初态R(ABC)和终态P(ABC)。)反应物R(ABC)从右山谷的谷底沿虚线往左上爬这时rAB下降但rBC几乎不变)当达到势能面的“S”点rABrBC过渡态A…B…C形成活化络合物A…B…C)然后A…B…C再从左山谷沿虚线降至谷底P(ABC)。现需要确定势能面上联结反应物R(ABC)到产物P(ABC)的最低势能途径即最可几的反应路线。实际上如图所示的(红色)虚线就是一条最省能量的反应途径称之为“反应坐标”、“反应轴”。图中的“S”点为最省能量途径上的势能最高点。解析几何中称之为“鞍点”(Saddlepoint)因为“S”点周围的势能面类似于马鞍面有:ESEv、EwESEq、Et形象地说:一个步行者从“r”点开始面向“q”点位于一个深谷左侧有无限高的陡壁右侧有一个高台。当他从rqS时他的高度逐渐由eV(右侧高台高eV)。“S”点附近区域是联结反应物深谷到产物深谷的“隘口”。若以反应坐标为横坐标(即将曲线rSp拉直了)对应的势能面上的势能为纵坐标作图得到反应途径上势能面的剖面图:由图看出从反应物生成物虽然沿反应坐标通过鞍点S进行是最省能量的线路但即使如此也需越过势垒Eb。图中E是活化络合物与反应物两者的零点能之差值Eb是活化络合物与反应物之间由势能面计算得到势垒高度势能垒Eb的存在也说明了实验活化能Ea的实质。由过渡态理论计算反应速率由过渡态理论计算反应速率由过渡态理论的基本假设过渡态活化络合物与反应物达化学平衡而活化络合物向产物转化是整个反应的速决步:如前所述A…B…C通常为线性(或近乎线性)分子其振动自由度:n=由于沿反应坐标鞍点“S”的任一侧势能EP均下降所以不对称的伸缩振动是无回收力振动将导致络合物的分解。上半振动周期(红色)时ABC回到反应物下半振动周期(黑色)时ABC生成产物。两者机会均等。若不对称的伸缩振动频率为则络合分子A…B…C分解的频率为其中分解成产物(ABC)的频率(黑色振动)为。所以产物的生成速率:速率常数:k=Kc其中平衡常数Kc可用统计热力学或热力学方法求得。r=A…B…C=KcABC=kABC)统计热力学方法简介)统计热力学方法简介由(上册)统计热力学计算平衡常数的公式为:式中:q:不包括体积项(V)的分子总配分函数。通俗讲配分函数即微观状态数(各微观状态机率均等)。f:不包括体积项(V)及零点能(E)的分子总配分函数。E:过渡态与反应物零点能之差值。不对称伸缩振动配分函数:将产生活化络合物分解的不对称伸缩振动自由度分离出来。则式中:f为除去了分解振动自由度的活化络合物配分函数。速率常数:只要知道分子的质量、转动惯量、振动频率等微观物理量(可从光谱数据得到)就可算出配分函数但由于得不到过渡态活化络合物的光谱数据所以f只有通过势能面计算来求。而E也可从势能面上的能垒值Eb及零点能来求算:上述计算中不通过动力学实验数据直接计算得到反应速率常数理论值k因此过渡态理论又被称为“绝对反应速率理论”但计算难度很大(需通过势能面计算f)。)热力学方法:)热力学方法:给出一个简单、不严格的推导而结论是正确的。对溶液中的反应来说由于溶剂与溶质之间的相互作用液相中物质的配分函数更难求算。但溶液中的某些热力学量(如Gibbs自由能)却较易估算。由()式得:式中f是扣除了分解振动自由度的活化络合物配分函数故Kc也是一个类似于平衡常数的因子。由于分解振动(不对称伸缩振动)频率低且一旦振动即分解故分解振动对活化络合物的吉布斯自由能(Gm)的贡献可以忽略即:(Gm)(Gm)根据热力学公式:代入()式:说明:)只要计算出活化熵、活化焓或活化自由能即可计算反应的速率常数)反应速率是活化熵、活化焓(活化能Ea)两者共同作用的结果而且两者所起的作用刚好相反(指数符号相反)。四、过渡态理论(TST)的优越性及需改进之处四、过渡态理论(TST)的优越性及需改进之处优越性:)在过渡态理论的k表达式中无需引入不易确定的概率因子P(对比SCT))过渡态理论原则上可不通过动力学实验数据直接计算得到k绝对反应速率理论。需改进之处:)只能解决极简单的反应对于比较复杂的反应体系量子力学的能量计算(势能面计算)相当困难活化络合物的几何构型也不易确定。)求k时假设“活化络合物与反应物达平衡”的理由还不甚充分尚需进一步寻找各种因素与反应速率的定量关系使理论更趋完善。五、几个能量间的关系五、几个能量间的关系Ea与EcEc:阈能分子发生有效碰撞时相对平动能在连心线上分量的最低值Ea:实验活化能宏观量活化络合物平均能量(kJmol)与反应物分子平均能量之差。由SCT得到E与EbE:活化络合物与反应物的零点能之差Eb:反应物形成活化络合物所须越过的能垒高度两者均可在势能曲线上标出。Ea~EEa~E代入Ea定义式:式中常数m对一定体系有一定值(包含了kBTh项及配分函数项中所有与T有关的因子)。)理想气体反应:由上两关系式可看出在温度不太高时活化能Ea约等于活化焓。与Arrhenius经验式比较:注意单位:A(T)用mol、dm、s作单位(如:moldms)时(c)n=(moldm)n指前因子A与活化熵rSm有关通常(单分子反应除外)生成活化络合物后体系分子数减少活化熵rSm一般小于零。其中kBTh在数量级上与碰撞理论中的碰撞频率相近因此可近似地认为:exp(rSmR)与概率因子P相当。当较大(复杂)分子碰撞形成活化络合物时体系混乱度下降大rSm很负即exp(rSmR)很小相当于概率因子P很小。§单分子反应理论§单分子反应理论以上两节用碰撞理论、过渡态理论讨论了双分子基元反应对于单分子反应(一级基元反应)例如某些分子的分解或异构化:CHCHICH=CHHI顺CHCl=CHCl反CHCl=CHCl按定义单分子反应应该只由一个分子实现的基元反应。一个基态分子的键断裂或异构化若不是以其它方式(如辐射)获得能量合理的解释是:与其它分子碰撞获得必要的活化能。然而(两分子)碰撞活化似乎意味着二级反应动力学与单分子基元反应观测到的一级反应动力学不符。年林德曼(Lindemann)接受了碰撞理论和过渡态理论的某些观点提出了单分子反应理论。基本模型:激发(活化)分子分子A通过与其他分子碰撞而获得足够进行分解或异构化的振动能时叫做激发分子A*。)激发分子的振动能超过单分子反应的活化能)A*不是活化络合物仅是有高振动能的A分子。反应分子A经碰撞激发为激发分子A*到A*分解(或转化)为产物P的过程中存在时间滞后这段时间用以能量传递并集中到需破裂的键上去。而在这一滞后过程中激发分子A*将发生:基本假设)通过碰撞A*释放能量回到A(消活化)在此过程中A*的振动能转化为碰撞分子的动能)以过量的振动能打断适当的化学键引起分解或异构化转化为产物P。单分子反应:AP的具体步骤单分子反应:AP的具体步骤反应速率对活性物质A*应用稳态近似法:即单分子反应AP没有明确的反应级数。)高压极限:kAk(一般情况适合)气相反应中高压下A很大分子碰撞机会多消活化也快即步骤和基本上成平衡单分子步骤是速控步骤(与过渡态理论相符):(单分子基元反应一级反应动力学))低压极限:kkA在低压下分子碰撞消活机会少相对地步骤较快速控步为双分子激发步骤:(二级反应动力学)实验验证:实验验证:偶氮甲烷(A)的热分解:单分子(级)反应的实验速率常数k定义为:r=kAr为实验测得的反应速率由:)k的高压极限为按林德曼单分子理论预言:)当一组实验的初始压力P(即A)减小k也减少)在很低初压下k=kAr=kA=kA(级反应)用初始速率法测实验速率常数k从k与初始压力P的函数关系证实了林德曼预言即:随初始压力P的下降实验速率常数k发生了降变。r=kA=kA(级反应)高压下(PkPa=atm)k=s为常数(一级反应)随P的下降(P:~kPa)k也减小在低压区(PkPa=atm)kP正比于P单分子反应为二级反应实验结果证实了林德曼理论预言的正确性:“单分子反应常压下(例中为Patm)为一级反应。”讨论:讨论:)步骤、不是基元化学反应(因为不生成新的化合物)而是基元物理过程其中只有能量转移。而步骤(A*P)为基元单分子化学反应)对于只具有一个键的分子(如I)有过量振动能的激发分子I*无需时间将能量集中到该键上时间滞后为零:kkA速控步为双分子激发步骤。显示二级动力学:r=kA)对于溶液中的单分子反应不可能得到观察值k随浓度的降变。因为溶剂分子的存在使A*迅速碰撞失能kAk步骤、平衡速控步为步骤单分子反应呈一级动力学(溶液反应总是相当于气相高浓度体系)。)除非遇到在低压范围内的气相反应(如上例中的Patm)或者是双原子分子的单分子反应见讨论()一般情况下单分子反应(分解异构化)为一级反应:APr=kA单分子反应理论的修正单分子反应理论的修正定性:基本符合实际定量:往往和实验结果有偏差。目前修正得较好的是年代提出的RRKM理论:具有过量振动能(E*Eb)的激发分子A*先需克服能垒Eb转变成过渡态络合物构型A此过程即:过量振动能向某特定化学键集中的过程滞后时间。RRKM理论认为k=k(E*)E*越大则反应速率r越大E*Eb时k=RRKM理论计算比较复杂不再详述与实验数据的比较看该理论几乎对所有体系都很成功。§三分子反应§三分子反应三分子(基元)反应非常罕见(空间三个分子同时碰撞)。一、两个原子复合成双原子分子一、两个原子复合成双原子分子I·I·MIM形成化学键释放的能量变成双原子分子的振动能除非第三者M(M可以是任何原子或分子如I·、I、器壁)同时与它们碰撞并带走这些能量否则分子新生成的I很可能会在第一次振动中解离回原子状态(因为只有一个键)。特殊情况下,新生I也可通过光发射去掉多余能量(后讲)。I·I·MIM速率方程:r=kI·M此反应的逆过程表明:I是通过双分子步骤分解的。因为该反应没有键断裂预计活化能:Ea=事实上当温度T↗速率常数k↘即:Ea(负值)这是由于温度的升高增加了三分子碰撞速率及碰撞能量。对于某一给定的I·I·M碰撞由于温度的升高引起能量转移给M并形成I的几率就减少。原子复合的活化能:A·B·MABM Ea=~kcalmol二、生成三原子分子的复合反应二、生成三原子分子的复合反应OOMOM该反应也常需有第三者(M)存在原因是复合产生的过量振动能有可能很快集中于某一个键而使分子解离回去。逆过程表明:O通过双分子步骤分解。气相中仅有NO与Cl、Br、O、H、D的反应动力学为三级(P)有认为是单个的三分子步骤也有认为是由两个双分子步骤组成溶液中三分子(基元)反应也很罕见关于三分子(基元)反应尚未有比较满意的理论。三、其他反应§分子反应动态学§分子反应动态学分子反应动态学:从分子水平上来研究反应物粒子的一次碰撞行为中的变化以及基元反应的微观历程是化学反应动力学的一个新的分支。化学反应动态学又叫微观反应动力学。化学反应动态学建立于年代直到年代新实验技术以及电子计算机的应用才使其有很大发展。分子反应动态学研究这样一些问题分子反应动态学研究这样一些问题)反应物的相对平动能、分子碰撞角度对反应几率的影响)产物的角分布以及它的各种平动、转动和振动状态分布)从量子力学、统计力学理论计算某一温度下的反应速率常数。一、研究分子反应动态学的实验方法一、研究分子反应动态学的实验方法近几十年来由于激光、分子束等实验技术的发展、计算机的广泛应用为研究分子反应提供了良好的实验条件。交叉分子束研究)分子束:在高真空腔内(PPa)由束源中发射出来的一束自由飞行的分子流。)分子束的产生:溢流源:加热炉(PPa)气化产生(KK蒸气)加狭缝校成平行再加一速度选择器控制速度。喷嘴源:源内高压蒸气以超声速向真空绝热腔膨胀分子由热运动转为较大平动能的定向有序速流而且绝热膨胀后温度很低转动、振动处于基态分子速度分布窄并可通过调节源内气压来选择速度。在高真空腔内分子束分子的平均自由程(~m)远大于装置尺寸即分子束在飞行途中同束分子间的碰撞可以忽略而且它的速度和内部量子态也不会发生变化即固定了反应分子的速度和状态。)分子束的特性:高真空腔内一束A分子与一束B分子交叉在分子束相交区的碰撞能引起化学反应:ABCD分子束中分子的速率由速度选择器控制用一个可移动的探测器来检测产物实验结果得到如下信息:)实验原理:)反应几率随碰撞分子的相对动能的变化)反应产物离开碰撞位置的角分布、平动能与分子内部能量分布及产物的量子态。检测器的灵敏度是实验的关键因素之一由于技术上的困难大多数分子束研究用于“原子分子”反应如碱金属与卤素、卤化物的反应这些反应发生几率高产物容易检测。DHHDHFHHFHKBrKBrBrKCHIKICH·例如:在足够低的压力下的气相反应(如交叉分子束反应)处于振动、转动激发态的反应产物通过碰撞失去振动、转动能的几率可以忽略而是通过向低能态跃迁并对外辐射失去这些能量红外化学发光(IRC)。红外化学发光技术(测产物):研究Cl·HIHClI·测量HCl的红外振动转动辐射线可以得到初生产物HCl在振动、转动态上的分布也就知道了这些激发态HCl生成的相对速率。例如:反应初产物的分布不符Boltzmann分布HCl在v=的振动能级有一个最大布居。若在常压下分子间的碰撞很快导致产物能量的Boltzmann分布。实验证明:用一束可调激光将处于电子基态上某振转态的初生产物分子激发到高电子态的某振转能级上受激分子从高电子态跃迁回到基态(同简并度)而发射荧光。检测荧光频率强度分布并根据两电子态电子跃迁情况可以确定产物分子在电子基态振动能级上的初始分布情况。激光诱导荧光(测产物):二、分子碰撞与态态反应二、分子碰撞与态态反应一般地分子间的碰撞有以下几种:)弹性碰撞:分子间交换平动能总平动能守恒分子的内能(转、振、电子能量)保持不变)非弹性碰撞:分子平动能可与其内部能量相交换(交换速率较慢),碰撞后总平动能不守恒)反应碰撞:不但有平动能与内部能的交换而且分子发生了化学反应。态态反应态态反应从微观的分子水平上研究反应就需知道特定能态的反应物分子到特定的能态的生成物分子的反应特征即需知道反应物、生成物分子的量子态。这就是所谓的态态反应:A(i)BC(j)AB(m)C(n)处于量子态i的A与量子态j的BC反应生成量子态为m的AB及量子态为n的C。态态反应只能靠个别分子的单次碰撞完成。通常条件(常压)下反应物、产物分子的能态并不单一而且呈MB平衡分布A(i)BC(j)AB(m)C(n)为此需用一些特殊的装置(如分子束装置)来选择反应分子的某一特定的量子态产物的能态也需用特殊的探测手段(如红外化学发光、激光诱导荧光等)来检测分析。三、直接反应碰撞和形成络合物的碰撞三、直接反应碰撞和形成络合物的碰撞通过分子束实验可以得到产物离开碰撞位置的角分布和速度分布从而获得关于基元反应的微观反应历程的信息。反应碰撞时间短小于转动周期(s)碰撞的分子束未来得及转动反应已结束。因此产物散射的角分布在某些方向特别集中(质心坐标系中)。例如:KIKII直接反应碰撞:检测到产物分子KI的散射与K的入射方向一致向前散射。尤如K原子在前进方向上遇I时夺取一个I原子而继续前进抢夺模型(适用于向前散射的直接反应碰撞)。KIKII又如:KCHIKICH·产物KI的角分布优势方向与K原子的入射方向相反回弹模型(适用于向后散射的直接反应碰撞)。形成络合物的碰撞形成络合物的碰撞碰撞中形成了中间络合物其寿命超过转动周期因而产物分子呈随机散射状在质心坐标系中各向同性散射。如:OBrOBrBr由此可见产物的角分布与基元反应的微观历程有密切联系。例如:前面所述的KI反应的抢夺模型其微观历程可设想为:KIKIKII弱电离势的K原子在接近(~nm)强电子亲合势的I时抛出一个价电子给I犹如一把鱼叉投向卤素分子I形成离子对KIKIKIKIIK继续前进然后由于库仑引力(象一根绳子)将一个I(鱼)从I中拉出来形成稳定的KI分子前进这个机理被称为“鱼叉机理”。KIKIKII四、k理论计算轨迹计算法四、k理论计算轨迹计算法原理:运用量子力学、统计力学及某些经典力学近似理论计算得到温度T时分子反应速率常数(纯粹的理论计算不用光谱数据)。用量子力学精确计算气相基元化学反应体系的势能面EP(r)选择反应分子的一对初始状态(量子态、相对平动能、趋近角度等)由势能面得到力:步骤:应用经典力学代入牛顿第二定律作数值积分(计算机)得出作为时间的函数的原子位置:即得到粒子(在势能面上)的轨迹速率常数。这样的计算方法称轨迹计算法。应用MB分布对每一套代表性的初始条件的反应几率作权重平均得到宏观反应速率常数(计算极端困难、繁杂)。结论:经典的轨迹速率常数与实验速率常数符合相当好。主要误差:)量子力学的势能面计算相当复杂事实上三个原子的体系已经很复杂。)经典力学近似轨迹对较轻物质(如e、H、H、H等)的反应(相对于量子力学)有偏差主要是小质量的粒子有隧道效应。粒子越小效应越明显而经典力学没有考虑这一点。能量小于能垒Eb的量子力学粒子有一定的几率穿越势垒而出现在势阱之外。隧道效应:§在溶液中进行的反应§在溶液中进行的反应溶液中的反应由于溶剂的存在比气相反应复杂得多本章中主要讨论溶剂对反应的影响、原盐效应等。一、溶剂对反应速率的影响液相反应与所用溶剂有密切关系。例如K下二级取代反应:在不同的酰胺溶剂中其速率常数各不同:对于某一给定的反应速率常数k随溶剂和温度而变。溶剂对反应速率的影响有多种因素:溶剂化影响:一般反应物是溶剂化的溶剂化程度随溶剂不同而改变这会影响反应速率常数k催化作用:某些溶剂可能对反应有催化作用不同溶剂中的反应可能有不同的反应历程介电常数:溶剂的介电常数对离子参加的反应有影响溶剂的介电常数越大离子间的引力愈弱即介电常数大的溶剂不利于离子间的化学反应溶剂的极性:若生成物的极性比反应物大则在极性溶剂中反应速率比较大反之亦然(相似相溶)粘度影响:对于溶液中的快速反应反应速率受两个反应物分子在溶剂中扩散而彼此遭遇的速率限制粘度越大k影响越大(↘)氢键影响:溶剂和反应物间的氢键影响k离子强度的影响(原盐效应):稀溶液中如果作用物都是电解质离子反应则反应速度与溶液的离子强度有关。二、原盐效应:二、原盐效应:溶液中离子反应的布耶伦(Bjerram)假设:反应中间体假设(相当于过渡态假设)。利用过渡态理论的热力学处理方法:在通常浓度范围平衡常数是Ka而非Kc:(n:反应离子数)速率常数k与活度系数有关。而离子的活度系数又与溶液的离子强度有关。原盐效应:稀溶液中离子强度对反应速率的影响称为原盐效应。)在稀溶液中若反应物之一是非电解质则ZAZB=原盐效应等于。讨论:)同性离子反应产生正的原盐效应:反应速率随离子强度I增加而增加。)对于异性离子反应产生负的原盐效应。)在溶液中离子反应动力学研究中常常加入大量“惰性盐”以保持在反应过程中离子强度基本不变从而使活度系数不变以得到一固定的表观速率常数(k与溶液离子强度有关)。三、遭遇、碰撞及笼效应三、遭遇、碰撞及笼效应液体的结构:在液相中分子间空隙很小分子不能自由移动。某一个分子可以看作被由其它分子所组成的“笼子”所包围。该分子朝着这个“笼子”的壁振动了许多次之后才能“挤过”紧密堆积的周围分子并扩散出笼子。遭遇及碰撞:遭遇及碰撞:液体的结构一定程度上相似于固体结构。液体的较差的移动性阻碍了反应的两个溶质分子A和B在溶液中的相遇。但一旦A和B相遇则会被溶剂分子的“笼”所包围使它们在相对较长的时间(~倍于气体碰撞时间)靠在一起可以经历反复多次的碰撞直到反应分子从笼中挤出。这种A和B扩散到一起在笼中多次碰撞过程称为一次遭遇一次遭遇大约要进行~次碰撞。在气相中气体的碰撞与遭遇没有区别。笼效应笼效应溶液中反应分子的遭遇频率远小于气体中相应的碰撞频率但是当气体相和溶液有大致相等的A和B浓度时由于溶液中每次遭遇中多次碰撞的补偿作用使单位时间内溶液中和气体中的碰撞次数大致相等。当然溶液中和气体中的碰撞的模式很不相同。溶液中的碰撞分成许多群笼效应。例如C下非极性物环戊间二烯的二聚反应:CHCH无论在气相还是溶液相进行反应速率常数几乎不变:气相中:k=dmmolsCS中:k=dmmolsCH中:k=dmmolsCHOH:k=dmmols(CHOH为溶剂极性与前者稍有差别)四、扩散控制的反应:四、扩散控制的反应:若溶液中双分子基元反应:ABP的活化能很低则每一次碰撞发生反应的几率很高。而溶液中每次遭遇约含次碰撞即很可能A和B的每次遭遇就发生反应也即分子的反应速率即遭遇频率。而遭遇频率则完全由A和B通过溶剂朝对方扩散的快慢决定的即此反应为扩散控制的反应。只要反应分子A和B一旦遭遇就发生的反应称为扩散控制反应。例如:有自由基参加的反应、酸碱中和反应等。溶液中A和B的反应可表示为如下机理kd:形成AB的速率常数kd:AB分离为A、B的速率常数kr:AB进行反应成产物的速率常数。dABdt=kdABkdABkrAB=稳态近似法:)若反应活化能大kdkr活化控制反应反应速率由遭遇对AB的平衡常数及AB的反应速率kr所决定。)若溶剂粘度较大AB分离较难kd小或者AB反应活化能小:krkd则:

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