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2.9 : 多步反应

化学反应通常以逐步方式发生,涉及按顺序发生的两个或多个不同的反应。 平衡方程表明了反应物质和产物物质,但它没有揭示有关反应如何在分子水平上发生的细节。 反应机理(或反应路径)提供了有关反应发生的精确、逐步过程的详细信息。 反应机理中的每个步骤称为基元反应。 这些基元反应按顺序发生,如步骤方程所示,它们相加得出描述整个反应的平衡化学方程。 在多步反应机制中,其中一个基元反应的速度比其他基元反应慢,有时甚至慢得多。 这个最慢的步骤称为限速步骤(或速率限制步骤)。 反应不能比其最慢的步骤进行得更快,因此,速率限制步骤限制了总反应速率。

与代表整体反应的平衡方程不同,基元反应方程是化学变化的明确表示。 基元反应方程描述了发生键断裂/形成的实际反应物以及形成的产物。 速率定律可以直接从基元反应的平衡化学方程导出。 然而,大多数化学反应并非如此,平衡方程通常代表多步反应机制导致的化学系统的整体变化。 因此,必须根据实验数据确定速率定律,并随后从速率定律推导出反应机理。

例如,考虑 NO_2 和 CO 的反应:

Figure1

该反应在 225 °C 以上温度下的实验速率定律为:

Figure2

根据速率定律,该反应对于 NO_2 为一级反应,对于 CO 为一级反应。然而,在低于 225 °C 的温度下,该反应由不同的速率定律描述,即对于 CO 为二级反应。对二NO_2::

Figure3

该速率定律与单步机制不一致,但与以下两步机制一致:

Figure4

Figure5

速率限制(较慢)步骤给出了对 NO2 浓度的依赖性为二阶的速率定律,两个基本方程的总和给出了净总反应。

一般来说,当限速(较慢)步骤是反应机制中的第一步时,整个反应的速率定律与该步骤的速率定律相同。 然而,当限速步骤之前是涉及快速可逆反应的基本步骤时,通常由于反应中间体的存在,整个反应的速率定律可能更难以推导。

在这种情况下,可以利用这样的概念:当正向过程和反向过程的速率相等时,可逆反应处于平衡状态。

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