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.

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][].

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.

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.