Кинетика химических реакций - Лекции по медицинской и

biologrefs.ru
Кинетика химических реакций - Лекции по медицинской и
биологической физике - Кинетика химических реакций.doc
Сортировать: по оценкам | по дате
28.04.16
↑ [1] ↓
переходы:0
Кинетика химических реакций - Лекции по медицинской и
биологической физике - Кинетика химических реакций.doc
Кинетика химических реакций
Введение
Когда происходит химическая реакция, то одни вещества - субстраты
реакции - превращаются в другие - продукты реакции. Соответственно
этому, с течением времени после начала процесса концентрация
субстратов уменьшается, а концентрация продуктов - возрастает.
Зависимость изменения концентрации участников реакции (т.е. субстратов
и продуктов) от времени называют кинетикой реакции. Кривые таких
зависимостей называют кинетическими кривыми, а математические
уравнения, которые описывают кинетические кривые, называют
уравнениями кинетики.
Итак, повторим некоторые определения:
Скорость химической реакции
Концентрации веществ в химии принято выражать в киломолях на
кубический метр (кмоль/м3) или, что то же самое, в молях на литр
(моль/л). Концентрации в таких единицах называют молярными
концентрациями и обозначают большой буквой М. Полумолярный раствор
(0,5 моль/л) NaCl обозначают как 0,5М NaCl.
Молярная концентрация вещества в химической кинетике обозначается
формулой того же вещества, заключенной в квадратные скобки. Так [Fe2+]
- это молярная концентрация ионов двухвалентного железа.
Скорость химической реакции - это изменение концентрации какого-либо
из участников реакции за секунду. Таким образом в реакции:
Fe2+ + HOOH  Fe3+ + OH + HO•
скорость реакции это:
От чего зависит скорость реакции
Интуитивно, каждый понимает, что число молекул, которые вступят в
реакцию за единицу времени, зависит от ряда обстоятельств:
от вероятности встретить другую молекулу, которая пропорциональна
числу молекул в единице объёма, а следовательно пропорциональна
молярной концентрации второго субстрата реакции; в нашем случае это
величина [HOOH].
от вероятности того, что столкнувшиеся молекулы прореагируют.
Обозначим её через р.
Таким образом, скорость реакции в нашем случае будет равна:
,
где ^ K- коэффициент пропорциональности. Произведение констант K  p
в свою очередь является некоторой постоянной и называется константой
скорости реакции. Обозначим её через k.
Порядок рeакции
Поскольку скорость реакции взаимодействия двух веществ
пропорциональна произведению концентраций этих двух субстратов,
такого типа реакции называются реакциями второго порядка.
Если бы для реакции требовалось одновременное участие трёх субстратов,
то скорость её должна была бы зависеть от произведения концентраций
всех трёх веществ, и мы бы имели реакцию третьего порядка. Этого
однако практически не бывает, поскольку в подобных ситуациях сначала
обычно реагируют две молекулы. а уж потом в дело вступает третья.
Известны реакции, где имеется всего один субстрат; сюда относятся
реакции распада или изомеризации веществ. В этом случае скорость
реакции пропорциональна концентрации этого одного субстрата. Такие
реакции называются реакциями первого порядка. Скорость реакции
первого порядка A  B равна:
Если все молекулы субстрата A превратились в молекулы продукта B, то
найти изменение во времени концентрации продукта можно, используя
уравнение материального баланса:
Обратимые реакции
Предположим, вещество A может превращаться в вещество B, а оно, в
свою очередь, обратно переходит в вещество A. Изменение концентрации
вещества A обусловлено одновременным протеканием двух реакций:
распада A со скоростью k1[A] и его образования со скоростью k2[B].
Скорость изменения концентрации вещества A равна разности этих
величин:
Надо сказать, что чем сложнее схема реакции, тем сложнее
соответствующая система уравнений, и преобразования могут стать
довольно громоздкими. Поэтому в дальнейшем мы наряду с
распространенным обозначением концентрации будем использовать
переменные в виде малых латинских букв, т.е. a вместо [A], b вместо [B] и
т
Концентрацию b находим из уравнения 6 материального баланса и
подставляем в уравнение 8.
Рис. 2. Кинетика обратимой мономолекулярной реакции
По отношению отрезков ординат для a при достижении равновесия (a )
находим соотношение констант прямой и обратной реакции. (см.
уравнение 16)
Если найти опытным путем концентрации вещества A через разные
промежутки времени после начала реакции, а затем построить график
зависимости натурального логарифма концентрации от времени, то по
тангенсу угла наклона полученной при этом прямой сразу находим
константу скорости, поскольку она является угловым коэффициентом
данной прямой (см. рис. 3).
Рис. 3. Кривая расхода субстрата мономолекулярной реакции в
полулогарифмическом масштабе. Объяснения даны в тексте.
Построение линейной анаморфозы кинетической кривой для
концентрации субстрата обратимой мономолекулярной реакции требует
экспериментального определения равновесной концентрации субстрата a
, т.е. той концентрации, которая установится по источению некоторого
времени и в дальнейшем не будет изменяться. Затем из
экспериментальных данных рассчитывается для каждого момента
времени, при котором определяли концентрации, отношение ,
натуральный логарифм которого откладываем по ординате графика как
функцию времени (см. рис. 4). Получается прямая линия (см. уравнение
16 ):
Рис. 4. Кинетика обратимой мономолекулярной реакции
Данные представлены в формате, позволяющем найти сумму констант
скоростей прямой и обратной реакции по тангенсу угла наклона прямой.
Объяснения - в тексте.
Это уравнение нужно сопоставить с кривой на рисунке 2 .
Мы надеемся, что читатель сумеет рассчитать константы скорости, зная их
отношение и сумму .
^ Последовательные и параллельные реакции
Последовательные реакции с одним промежуточным продуктом
Рассмотрим кинетику реакции превращения вещества A в вещество B,
которое затем сразу же превращается в вещество C. Вещество В называют
промежуточным соединением или интермедиантом.
Запишем уравнения кинетики, т.е. дифференциальные уравнения,
описывающие скорости реакций образования всех трёх участников:
Имея значения a и b в каждый данный момент времени, можно подсчитать
значение c по уравнению 23.
Примеры кинетических кривых, рассчитанных по уравнениям 6, 8 и 4,
даны на рис. 1.
Стационарное состояние
В организме концентрации основных метаболитов поддерживаются на
более или менее постоянном уровне; это означает, что скорость
образования каждого метаболита равна скорости его утилизации. Такое
состояние системы называется стационарным.
Для более строгого определения стационарного состояния рассмотрим
последовательные реакции образования метаболита A и его превращения в
промежуточные продукты B и C.
gendocs.ru/v1658/?cc=7
Смотрите также:
Кинетика химических реакций - Лекции по медицинской и биологической физике Кинетика химических реакций.doc
Кинетика химических реакций
Программа дисциплины дпп. В. 02. 1 Кинетика сложных химических реакций
Аффинность антител и кинетика реакций
Аффинность антител и кинетика реакций
Классификация химических реакций 2
Скорость химических реакций 2
Основные классы неорганических соединений и типы химических реакций
Основные классы неорганических соединений и типы химических реакций
Список литературы для реферата Классификация химических реакций 3