第 8 章 各类反应的动力学
思考题解答
1. 已知分子在气相中的碰撞频率和在溶液中的碰撞频率差不多,
这是否意味着反应在气相中进行和在溶液中进行不会有太大的差别。
解:对于A与B的反应,在相同温度和相同浓度下,A与B的碰
撞频率在气相和溶液中是差不多的,但碰撞的性质有区别。气相中反应
分子碰撞随时间分布比较均匀;而在液相中,由于存在笼子效应,若A
与B处于溶剂的“笼子”中,将连续发生多次碰撞,而从一个笼子扩
散到另一个笼子中却要经历较长的时间,在此期间没有碰撞。
若反应活化能很大,能发生反应的碰撞占整个碰撞总数的比例很
小,笼子效应并不产生显著的影响,此时溶液中的反应与气相中的反应
差别不大。若反应的活化能很小,只要碰撞即能反应,分子在笼子间的
扩散快慢可能起决定作用,此时溶液中的反应与气相中的反应相比可能
要慢得多。
2. 溶剂对反应速率的影响是通过哪些方式实现的。
解:对于扩散控制的情况,溶剂的粘度对反应速率有显著影响,粘
度愈大,扩散愈慢,反应速率愈小。
对于反应控制的情况,溶剂与反应物质间的分子间力和溶剂化作用
直接影响着反应速率。一般来说,如溶剂与产物间的分子间力或溶剂化
较强,对反应速率有利;如溶剂与反应物间的分子间力或溶剂化较强,
对反应速率不利。
3. 如何判断反应是扩散控制还是反应控制。
解:若反应活化能很小,或在粘稠溶剂中,此时反应为扩散控制;
·146· 思考题和习题解答
若反应活化能较大,或溶剂粘度不高,此时反应为反应控制。
若反应速率系数随溶液粘度增加而减小,k大于
1139
smoldm10
??
?? ,
活化能小于
1
molkJ 20
?
?,可以认为反应处于扩散控制。
4. 从分子聚合反应、自由基聚合反应和离子聚合反应,总结一下
链反应中链的含义。怎样才能实现链反应。
解:“链”指反应中能够再生的活泼分子、自由基、或离子。例如
在缩聚反应中,具有OH基或COOH基的缩聚物与二酸和二酯发生酯
化反应后,又新生一个COOH基或OH基,它们可以进一步与二酸和
二酯反应,这种缩聚物就是一个链,它可以不断地传递下去。又如自由
基聚合中,具有未成对电子的单体或聚合物也是一种链,它与单体反应
后,产物仍是具有未成对电子的自由基,可以不断传递下去。再如阳离
子聚合反应或阴离子聚合反应,碳正离子或碳负离子就是链,反应后仍
生成碳正离子或碳负离子,可以不断传递。要实现链反应,首先必须要
引发,生成自由基、碳正离子或碳负离子。缩聚反应是例外,不需要引
发。另一方面,链的终止反应速率要适当。
5. 解释
HO
22
+
系统存在三个爆炸极限的原因。
解:当系统压力增加,产生支链的速率加快,当它大于墙面销毁速
率时就发生爆炸,这是第一爆炸极限。进一步增加压力,由于系统内分
子浓度增高,易发生三分子碰撞反应
MOH
2
++?
MHO
2
+?
自由基销毁速率又超过产生速率,反应进入慢速区,形成第二爆炸极限。
再增加压力,反应
22
OHH +?
22
HHO +?
22
OHOH +?OHHO
22
+?
开始与?
2
HO的扩散竞争,这两个反应在恒温下进行时是放热的,若在
接近绝热的条件下进行,反应混合物的温度升高,反应加快,温度又进
第8章 各类反应的动力学 ·147·
一步升高,压力同时急剧增大,最后发生爆炸,这是第三爆炸极限。
6. 广义酸碱和一般酸碱有什么不同。为何酸碱催化要采用广义酸
碱的概念。
解:一般的酸指在水溶液中能电离给出水合氢离子
+
OH
3
的化合
物;一般的碱指在水溶液中能电离给出
?
OH离子的化合物。广义酸则
是指反应中失去质子的物质;广义碱是指反应中得到质子的物质。
由于溶液中的反应相当普遍地存在质子传递步骤,只有用广义酸碱
概念,才能全面地说明这些酸碱催化反应的规律。
7. 酶催化具有高选择性的原因是什么。
解:因为酶与反应物(通常称为底物)作用时,有高度的立体定向
匹配作用,所以酶催化具有很高的选择性。
8. 既然光化当量定律说一个光子活化一个分子,为什么量子效率
有时大于1,有时小于1。
解:光化当量定律是对初级过程而言的,一个光子在初级过程中虽
然只活化了一个反应物分子,但活化后的分子可进行次级反应,次级反
应过程不同,就使量子效率有时大于1,有时小于1。
如果次级反应是链反应,常使量子效率大于1。如果活化分子在与
其它分子反应之前,辐射频率较低的光或与一个惰性分子碰撞,失去一
部分能量转变为普通分子,不再进行次级反应,则量子效率小于1。如
果分子吸收光子分解为原子后,下一步反应不易立即进行,原子可能立
即化合成分子,量子效率就远小于1。
9. 间歇式与连续式反应器的浓度与时间、空间的关系不同。那么
反应速率是否依赖于不同类型的反应器呢。
解:反应速率是指单位体积的系统中,反应进度或浓度随时间的变
化率。间歇式与连续式反应器的浓度与时间、空间的关系不同,但反应
速率的定义不变,只是反应速率的表示式有所不同。
·148· 思考题和习题解答
对于连续管式反应器,可得出转化率随反应器体积的变化率与反应
速率的关系式,即
RAA0A
d/d VF αυ =
式中
A0
F是A的进料速率。
如为连续釜式反应器,反应速率与转化率有下列关系
RAA0A
/VF αυ =
10. 如何用连续管式反应器和连续釜式反应器来建立速率方程,并
求得反应级数和速率系数。
解:对于连续管式反应器,反应速率与转化率随反应器体积的变化
率有下列关系
RAA0A
d/d VF αυ =
式中
A0AA0A
/)( ccc ?=α,
A0AA
/dd cc?=α ,由此可得
AAA0RA0
/d/d υcFVc ?=
若为一级反应,反应速率方程为
AAA
ck=υ,代入上式并积分
∫∫
?=
A
A0
R
A
A
A
0
R
A0
A0
d1
d
c
c
V
c
c
k
V
F
c
得
A
A0
A
R
A0
A0
ln
1
c
c
k
V
F
c
=
∴
A
A0
A0S
A0
A
A0
A0R
A0
A
lnln
c
c
clA
F
c
c
cV
F
k ==
式中l为反应器长度,
S
A为反应器截面积,
SR
lAV =。由上式可见,如
固定进料速率
A0
F,测量反应器不同长度l处的浓度
A
c,或固定反应器
长度,测定不同进料速率
A0
F时的出料浓度
A
c,若按上式求得的
A
k为
常数,即可判断是一级反应并求得
A
k值。
对于连续釜式反应器,有
0A
A0A
R
0A
R
AfA0
A
c
cc
V
F
V
F ?
?==
α
υ
第8章 各类反应的动力学 ·149·
若为一级反应,
AAA
ck=υ,则
A
AA0
A0R
A0
A
c
cc
cV
F
k
?
=
若
AAA0
/)( ccc ?与
A0
/1 F成正比关系,即为一级反应,并可求出
A
k。
若为二级反应或零级反应,可用类似方法处理。
11. 实现化学振荡,要满足哪些条件。自催化反应的特征是什么,
它和时钟反应有什么关系。
解:要实现化学振荡需要满足如下几个条件:
(1) 远离平衡,具有很大的不可逆程度;
(2) 存在反馈,即产物能加速反应,也就是有自催化作用;
(3) 存在双稳定性,即在同样条件存在两种可能的稳定状态。
自催化反应的中间产物与反应物相同,随反应进行,反应物浓度增
加,使反应不断加速,它的显著特征是存在诱导期。“时钟反应”就是
一种自催化反应,如碘酸盐与亚硫酸氢盐的反应,产物
?
I又是反应物,
因而在经历一定诱导期后,反应速率急速增加。