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非基元反应速率方程怎么推导?

来源:未知作者:化学自习室 点击: 次 所属专题: 速率方程

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非基元反应的速率方程不能像基元反应那样直接由总反应式写出,而是要根据反应机理,结合近似方法推导。核心思路是:先把复杂反应拆成若干基元步骤,再对中间产物做近似处理,最终消去中

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非基元反应的速率方程不能像基元反应那样直接由总反应式写出,而是要根据反应机理,结合近似方法推导。核心思路是:先把复杂反应拆成若干基元步骤,再对中间产物做近似处理,最终消去中间产物浓度,得到只含反应物(和产物)的速率方程。

一、基本步骤

写出反应机理:把总反应拆成若干个基元反应。

对每个基元反应写出速率方程:根据质量作用定律。

找出中间产物:如自由基、活性中间体等。

对中间产物应用近似方法:常用稳态近似或平衡近似。

消去中间产物浓度:得到只含反应物、产物浓度的总速率方程。

与实验对比:验证推导结果是否与实验测得的速率方程一致。

二、两种核心近似方法

1. 稳态近似

适用条件:中间产物非常活泼,浓度低,生成后很快被消耗,因此其浓度随时间变化近似为零。

对中间产物 I:

d[I]dt≈0

即:

生成速率=消耗速率

2. 平衡近似

适用条件:机理中存在一个快速可逆步骤,且该步骤之后有一个较慢的决速步。

对快速平衡步骤:

K=[产物][反应物]

利用平衡常数关系,把中间产物浓度用反应物浓度表示,再代入慢步骤速率方程。

三、典型推导示例

示例 1:

2NO+O2→2NO2

实验测得速率方程为:

r=k[NO]2[O2]

提出如下机理:

第一步(快速平衡):

NO+NO⇌N2O2

平衡常数:

K=[N2O2][NO]2

所以:

[N2O2]=K[NO]2

第二步(慢步骤,决速步):

N2O2+O2→2NO2

其速率方程为:

r=k2[N2O2][O2]

代入 [N2O2]=K[NO]2

r=k2K[NO]2[O2]

令 k=k2K,得:

r=k[NO]2[O2]

与实验一致。

示例 2:

H2+Br2→2HBr

实验速率方程为:

r=k[H2][Br2]1/21+k′[HBr][Br2]

该反应机理包含链引发、链传递、链终止等步骤,中间产物为 Br· 和 H· 自由基。推导时需要对自由基应用稳态近似,过程较复杂,但最终可得到上述形式。

这个例子说明:非基元反应的速率方程可能非常复杂,不一定是简单幂函数。

示例 3:含慢步骤的机理

总反应:

2NO+2H2→N2+2H2O

实验速率方程:

r=k[NO]2[H2]

可能机理:

第一步(快速平衡):

2NO⇌N2O2
K=[N2O2][NO]2

第二步(慢步骤):

N2O2+H2→N2O+H2O

速率:

r=k2[N2O2][H2]

代入 [N2O2]=K[NO]2:

r=k2K[NO]2[H2]=k[NO]2[H2]

与实验一致。

四、稳态近似推导示例

考虑机理:

A→k1B
B→k2C

其中 B 是中间产物。

对 B 应用稳态近似:

d[B]dt=k1[A]−k2[B]=0

所以:

[B]=k1[A]k2

若总反应速率以 C 的生成速率表示:

r=d[C]dt=k2[B]

代入 [B]:

r=k2⋅k1[A]k2=k1[A]

说明总反应对 A 为一级。

五、总结:推导逻辑链

反应机理→各基元步骤速率方程→识别中间产物→稳态近似或平衡近似→消去中间产物→总速率方程

关键点:

1.决速步决定总反应速率的大致形式;

2.快速平衡步骤提供中间产物浓度与反应物浓度的关系;

3.稳态近似用于活泼中间体;

4.推导结果必须与实验速率方程一致,才能认为机理合理。

六、常见误区

1.不能直接用总反应式的计量系数写速率方程,除非已知它是基元反应。

2.中间产物浓度不能出现在最终速率方程中,必须消去。

3.决速步不一定是第一步,但通常是较慢的那一步。

4.稳态近似和平衡近似不能混用:要看中间产物是“快速平衡”还是“低浓度稳态”。

(责任编辑:化学自习室)
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