Кіріспе
Химиялық реакцияның ең баяу сатысы
Химиялық кинетикада реакцияның жалпы жылдамдығы көбінесе ең баяу сатымен анықталады, бұл жылдамдық шектейтін қадам (RDS немесе RD сатысы немесе r/d сатысы) деп аталады. Берілген реакция механизмі үшін тиісті жылдамдық теңдеуін болжау (эксперименттік жылдамдық заңымен салыстыру үшін) көбінесе осы жылдамдық шектейтін қадамды пайдалану арқылы жеңілдетіледі. Принцип бойынша, реагенттер мен өнімдер концентрациясының уақыт бойынша өзгеруі механизмнің жеке қадамдары үшін бір мезгілдегі жылдамдық теңдеулері жиынтығынан анықталуы мүмкін, әр қадам үшін біреуі. Алайда, осы дифференциалдық теңдеулердің аналитикалық шешімі әрқашан оңай болмайды, және кейбір жағдайларда сандық интеграция қажет болуы мүмкін. Жылдамдық шектейтін бір қадам туралы гипотеза математиканы едәуір жеңілдетеді. Ең қарапайым жағдайда бастапқы қадам ең баяу болады, ал жалпы жылдамдық бірінші қадамның жылдамдығымен анықталады. Сондай-ақ, жылдамдық шектейтін бір қадамы бар механизмдер үшін жылдамдық теңдеулері әдетте қарапайым математикалық формада болады, олардың механизммен және жылдамдық шектейтін қадамды таңдаумен байланысы анық. Дұрыс жылдамдық шектейтін қадамды әр мүмкін таңдау үшін жылдамдық заңын болжау және әртүрлі болжамдарды эксперименттік заңмен салыстыру арқылы анықтауға болады, мысалы, төмендегідей және CO үшін. Жылдамдық шектейтін қадам тұжырымдамасы катализ және жану сияқты көптеген химиялық процестерді оңтайландыру және түсіну үшін өте маңызды.
In chemical kinetics, the overall rate of a reaction is often approximately determined by the slowest step, known as the rate determining step (RDS or RD step or r/d step) or rate limiting step. For a given reaction mechanism, the prediction of the corresponding rate equation (for comparison with the experimental rate law) is often simplified by using this approximation of the rate determining step. In principle, the time evolution of the reactant and product concentrations can be determined from the set of simultaneous rate equations for the individual steps of the mechanism, one for each step. However, the analytical solution of these differential equations is not always easy, and in some cases numerical integration may even be required. The hypothesis of a single rate determining step can greatly simplify the mathematics. In the simplest case the initial step is the slowest, and the overall rate is just the rate of the first step. Also, the rate equations for mechanisms with a single rate determining step are usually in a simple mathematical form, whose relation to the mechanism and choice of rate determining step is clear. The correct rate determining step can be identified by predicting the rate law for each possible choice and comparing the different predictions with the experimental law, as for the example of and CO below. The concept of the rate determining step is very important to the optimization and understanding of many chemical processes such as catalysis and combustion.
Реакцияның мысалы: + CO
Мысалы, газ фазалық реакцияны қарастырайық: + CO → NO + . Егер бұл реакция бір қадамда жүрсе, оның реакция жылдамдығы (r) молекулалары мен CO молекулаларының соқтығысу жиілігіне пропорционалды болар еді: r = k[][CO], мұнда k – реакция жылдамдығы константасы, ал квадрат жақшалар молярлық концентрацияны білдіреді. Тағы бір әдеттегі мысал – Зельдович механизмі.
Нуклеофилді алмастыру
Тағы бір мысал – органикалық химиядағы унимолекулалық нуклеофилдік алмастыру (SN1) реакциясы, онда жылдамдықты анықтайтын бірінші қадам унимолекулалық болып табылады. Терт-бутилбромидтің сулы натрий гидроксидімен гидролизделуі – нақты жағдай. Механизмі екі қадамнан тұрады (мұнда R – терт-бутил радикалын білдіреді): R-Br → + карбокатионның пайда болуы, содан кейін гидроксид ионымен нуклеофилдік шабуыл → ROH. Бұл реакция бірінші реттік болып табылады, r = k[R−Br], бұл бірінші қадамның баяу екенін және жылдамдықты анықтайтынын көрсетеді. OH−-мен екінші қадам әлдеқайда жылдам, сондықтан жалпы жылдамдық OH− концентрациясына тәуелсіз. Керісінше, метилбромидтің (CH3Br) сілтілік гидролизі – бір бімолекулалық қадамда жүзеге асатын бімолекулалық нуклеофилдік алмастыру (SN2) реакциясы. Оның жылдамдық заңы екінші реттік: r = k[R−Br][].
Formation of a carbocation R−Br → + Nucleophilic attack by hydroxide ion + → ROH. This reaction is found to be first order with r = k[R−Br], which indicates that the first step is slow and determines the rate. The second step with OH− is much faster, so the overall rate is independent of the concentration of OH−. In contrast, the alkaline hydrolysis of methyl bromide (CH3Br) is a bimolecular nucleophilic substitution (SN2) reaction in a single bimolecular step. Its rate law is second order: r = k[R−Br][].
Өтпелі мемлекеттің құрамы
Механизмді анықтаудағы пайдалы ереже – реакция жылдамдығы заңындағы концентрация факторлары белсендірілген кешеннің немесе өтпелі күйдің құрамын және зарядын көрсетеді. Жоғарыда көрсетілген –CO реакциясы үшін жылдамдық [ ]2-ге байланысты, сондықтан белсендірілген кешеннің құрамы , 2 реакцияға өтпелі күйге дейін қатысады, ал CO өтпелі күйден кейін реакцияға түседі. Көп сатылы мысал – оксаль қышқылы мен хлордың сулы ерітіндідегі реакциясы: + → 2 + 2 + 2. Сондай-ақ, бірінші реттік емес реакция сатылары үшін жылдамдық шектеуші сатыны таңдауда концентрация шарттарын ескеру қажет.
Also, for reaction steps that are not first order, concentration terms must be considered in choosing the rate determining step.
Тізбекті реакциялар
Барлық реакциялардың жылдамдығын анықтайтын жалғыз қадам бола бермейді. Атап айтқанда, тізбекті реакцияның жылдамдығы көбінесе бір ғана қадаммен реттелмейді.
Диффузияны бақылау
Алдыңғы мысалдарда жылдамдық шектеуші қадам өнімге әкелетін тізбектелген химиялық реакциялардың бірі болатын. Жылдамдық шектеуші қадам реакцияға қатысушы заттардың өзара әрекеттесуге және өнім түзуге болатын жерге тасымалдануы да болуы мүмкін. Мұндай жағдай диффузиялық бақылау деп аталады және, әдетте, белсенді кешеннен өнімнің өте жылдам түзілуі кезінде, соның салдарынан реакцияға қатысушы заттардың жеткізілуі жылдамдық шектеуші фактор болып табылады.