Cơ chế phản ứng và các bước cơ bản

Cơ chế phản ứng là trình tự các bước phân tử cơ bản mà theo đó các chất phản ứng trở thành sản phẩm, và động học cung cấp các công cụ để kiểm tra các cơ chế được đề xuất dựa trên tốc độ quan sát được.

Definition

Cơ chế phản ứng là một mô tả chi tiết, từng bước về các phản ứng cơ bản và các chất trung gian liên kết các chất phản ứng với sản phẩm, phù hợp với định luật tốc độ và hệ số tỷ lượng được quan sát bằng thực nghiệm.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc xây dựng và kiểm tra các cơ chế phản ứng: các bước cơ bản và phân tử của chúng, các chất trung gian phản ứng, bước xác định tốc độ và sự liên kết các bước thành các phản ứng tổng thể. Nó phát triển các phép xấp xỉ được sử dụng để suy ra các định luật tốc độ từ các cơ chế, bao gồm phép xấp xỉ trạng thái dừng cho các chất trung gian phản ứng và phép xấp xỉ tiền cân bằng, và áp dụng chúng cho các phản ứng dây chuyền, sơ đồ Lindemann-Hinshelwood cho các phản ứng đơn phân tử, và xúc tác enzyme và bề mặt. Định luật tốc độ thực nghiệm và lý thuyết về các hằng số tốc độ một bước được đề cập ở nơi khác.

Core questions

• Điều gì phân biệt một bước cơ bản với một phản ứng tổng thể?
• Phép xấp xỉ trạng thái dừng tạo ra định luật tốc độ từ một cơ chế được đề xuất như thế nào?
• Bước xác định tốc độ kiểm soát tốc độ phản ứng tổng thể như thế nào?
• Các phản ứng dây chuyền và sự phân hủy đơn phân tử được giải thích theo cơ chế như thế nào?

Key concepts

• Bước cơ bản và phân tử
• Các chất trung gian phản ứng
• Bước xác định tốc độ
• Phép xấp xỉ trạng thái dừng và tiền cân bằng
• Phản ứng dây chuyền và cơ chế Lindemann

Key theories

Phép xấp xỉ trạng thái dừng

Khi một chất trung gian phản ứng được tiêu thụ gần như nhanh chóng khi nó được hình thành, nồng độ của nó có thể được coi là gần như không đổi, cho phép loại bỏ nó khỏi các phương trình động học để suy ra định luật tốc độ tổng thể từ các bước cơ bản.

Cơ chế Lindemann-Hinshelwood cho các phản ứng đơn phân tử

Các phản ứng dường như đơn phân tử diễn ra bằng cách hoạt hóa va chạm lưỡng phân tử sau đó là phân hủy đơn phân tử, giải thích tại sao bậc hiệu quả của chúng giảm từ bậc một xuống bậc hai khi áp suất giảm.

Clinical relevance

Hiểu biết về cơ chế hướng dẫn thiết kế hợp lý các chất xúc tác và các con đường tổng hợp, ngăn chặn các phản ứng phụ không mong muốn, giải thích hóa học đốt cháy và khí quyển như sự phá hủy tầng ôzôn, và phân tích xúc tác enzyme và chuyển hóa thuốc.

History

Bodenstein đã giới thiệu ý tưởng trạng thái dừng và khái niệm phản ứng dây chuyền vào khoảng năm 1913; đề xuất của Lindemann năm 1922 đã giải thích động học đơn phân tử, và lý thuyết phản ứng dây chuyền của Semenov và Hinshelwood vào những năm 1920 và 1930 đã thiết lập phân tích cơ chế của các phản ứng phân nhánh và nổ.

Key figures

• Frederick Lindemann
• Cyril Norman Hinshelwood
• Max Bodenstein

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Liệu các thí nghiệm có thể chứng minh một cơ chế phản ứng là đúng không?

Không. Động học có thể loại trừ các cơ chế khi chúng dự đoán định luật tốc độ sai, và sự nhất quán với dữ liệu tốc độ, phát hiện chất trung gian và hiệu ứng đồng vị xây dựng sự tin cậy, nhưng một cơ chế vẫn là một mô hình luôn có thể được tinh chỉnh hoặc thay thế bằng bằng chứng tốt hơn.

Sự khác biệt giữa phân tử và bậc là gì?

Phân tử đếm số lượng loài va chạm trong một bước cơ bản duy nhất và luôn là một số nguyên nhỏ, trong khi bậc là lũy thừa thực nghiệm của nồng độ trong định luật tốc độ tổng thể và có thể là phân số hoặc bằng không vì nó phản ánh toàn bộ cơ chế nhiều bước.