簡(jiǎn)介:第3章、溶劑效應(yīng),絕大部分的有機(jī)反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行的.在很多情況下,溶劑對(duì)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理的影響是相當(dāng)大的.有時(shí),改變?nèi)軇┛梢允雇环磻?yīng)的反應(yīng)速率相差億萬(wàn)倍.溶劑對(duì)于化合物酸堿性的強(qiáng)弱也有明顯的影響.例如,下列胺類的堿性強(qiáng)度關(guān)系為CH33N<CH32NH>CH3NH2>NH3,表示其堿性的PKA值依次為98、109、1064、929。以前對(duì)這一現(xiàn)象的解釋是由于甲基的推電子誘尋作用和三甲胺CH33N的空間張力,現(xiàn)在認(rèn)為這主要是由于溶劑化作用造成的,在水溶液中,NH4的水化作用比NH3強(qiáng)得多,以至NH4更穩(wěn)定.但是,當(dāng)甲基取代了氨中的氫,溶劑化作用就降低了.對(duì)于三甲胺來(lái)說(shuō),由于CH33NH中三個(gè)甲基包圍了氮正離子,使溶劑化作用減弱,所以三甲胺的堿性小于二甲胺.從誘導(dǎo)效應(yīng)來(lái)看,如果烷基是推電子的,則可以預(yù)期在氣相中(無(wú)溶劑效應(yīng))胺類的堿性應(yīng)該為R3N>R2NH>RNH2>NH3.事實(shí)證明確實(shí)如此.在氣相中,當(dāng)R為ME、ET、PR,以及苯胺的堿性都比氨的堿性強(qiáng).,對(duì)于一些簡(jiǎn)單的醇,它們?cè)跉庀嘀械乃嵝源涡蛲耆c水溶液中的相反H2ONAKRB離子越小,溶劑化能越大。二價(jià)離子的溶劑化能比一價(jià)離子大很多。,表39離子及一些中性分子的水合能,偶極分子間的相互作用力的大小與它們間的取向和距離有關(guān)。與偶極與離子的相互作用力相比(與它們間的距離的2次方成反比),偶極分子間的相互作用力與它們間的距離的3次方成反比,說(shuō)明隨著偶極分子間的距離的增加,其相互作用力更迅速地減小。而該式中很有意思的是3COS2Θ-1項(xiàng),可以找到一個(gè)Θ值使該項(xiàng)等于零,即偶極分子間的相互作用力為零。這個(gè)角度大約為547°,對(duì)任何兩個(gè)相互作用的偶極,如果它們之間的夾角為547°,則它們之間的相互作用力為零,這個(gè)角度稱為“魔角”。因此,液態(tài)的偶極分子由于熱運(yùn)動(dòng),其相互間的作用力是在不斷變化的。在固態(tài),分子的取向都是固定的,因此,在固相核磁共振中,采用這個(gè)魔角作為樣品旋轉(zhuǎn)的角度,可以最大限度地去掉固相中原本很強(qiáng)的原子核與核之間的偶合,從而得到最簡(jiǎn)化最“SHARP”的圖譜。,氫鍵氫鍵是另一非常重要的分子間作用力。本質(zhì)上氫鍵也是一種靜電作用力。原則上分子中任何帶部分負(fù)電荷的部分都可以成為氫鍵的接受者,并不一定要是電負(fù)性大的原子。因此,甚至Π鍵也可能接受氫鍵。下面這是一個(gè)極端的例子,銥氫成了氫鍵的受體,形成了一個(gè)氫與氫之間的氫鍵,因?yàn)檫B在銥上的氫帶有部分負(fù)電荷。,一般可以把氫鍵的強(qiáng)度分成三段。強(qiáng)度在1540KCAL/MOL的是非常強(qiáng)的氫鍵,強(qiáng)度在514KCAL/MOL的屬于中等強(qiáng)度,強(qiáng)度在04KCAL/MOL的氫鍵雖然最弱,但卻是最常見(jiàn)的。形成氫鍵的給體和受體之一如果帶有部分電荷的,所形成的氫鍵就會(huì)顯著增強(qiáng)。,Π效應(yīng)事實(shí)上大部分分子間結(jié)合力的根源都是靜電力。Π鍵是個(gè)負(fù)電荷集中的部位,不管是芳環(huán)體系還是簡(jiǎn)單的烯烴。因?yàn)樵趦蓚€(gè)原子之間有四個(gè)電子,而一般的單鍵是兩個(gè)電子。因此,Π鍵能與帶正電荷的部分發(fā)生相互作用,產(chǎn)生類似于偶極偶極相互作用的結(jié)合力,而且這種相互作用力可以是很大的。例如,氣相中苯環(huán)與LI的相互作用力甚至與最強(qiáng)的氫鍵相當(dāng)。鈉離子與不同取代苯的結(jié)合能列在下面。,苯環(huán)與金屬離子的作用方式和結(jié)合力,取代苯與NA的結(jié)合能,苯的Π鍵與中性分子的作用力也很可觀。例如,氣相中水與苯的結(jié)合力達(dá)到19KCAL/MOL,這是一般氫鍵的結(jié)合力,其結(jié)合的幾何排布如下圖所示,水分子中的氫指向Π鍵。相似的,氣相中氨與苯的結(jié)合力達(dá)到了14KCAL/MOL,在例如環(huán)己烷這樣的非極性溶劑中,苯胺的氨基與苯環(huán)的結(jié)合力達(dá)到了16KCAL/MOL。這種相互作用也被稱為對(duì)苯環(huán)的氫鍵。但更恰當(dāng)?shù)恼f(shuō)法是偶極Π相互作用。,Π氫鍵,苯的堆積,T形堆積或邊面堆積,滑邊堆積,這種偶極Π相互作用的堆積方式也可以用于探究苯分子相互之間怎么排列的問(wèn)題。在分子識(shí)別方面有一個(gè)詞叫“Π堆積”ΠSTACKING,這個(gè)說(shuō)法是不很恰當(dāng)?shù)囊粋€(gè)詞,因?yàn)檫@意味著苯分子是面對(duì)面的迭起來(lái)的,但面對(duì)面迭起來(lái)實(shí)際上使分子中相同電性的部分相互面對(duì),這不是一種穩(wěn)定的狀態(tài)。由于苯環(huán)上氫是電正性的,因此,所謂“T形”,即一個(gè)苯環(huán)豎起來(lái)以含氫的邊去面對(duì)Π鍵,應(yīng)該是比“Π堆積”更有利的。在氣相,這是一種優(yōu)勢(shì)取向,其ΔH約為-2KCAL/MOL。在某些不能達(dá)到“T形”堆積的情況下,較為有利的堆積方式是所謂“SLIPSTACKED”即滑邊的堆積,也是電正性的對(duì)電負(fù)性的,這應(yīng)該是溶液中分子間相互面對(duì)的基本原則,應(yīng)該是盡可能采取的方式。,§33非質(zhì)子極性溶劑,有一些溶劑具有較大的介電常數(shù)和電偶極矩,但不含酸性氫,不能形成氫鍵一般稱為非質(zhì)子極性溶劑,對(duì)于負(fù)離子與中性分子之間的雙分子反應(yīng)來(lái)說(shuō),在極性非質(zhì)子溶劑中的反應(yīng)速率要比在質(zhì)子溶劑中大得多.例如,,這些化合物的特殊的溶劑化性質(zhì)是由于分子幾何形狀使它們對(duì)正離子的溶劑化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)負(fù)離子的溶劑化作用.這種性質(zhì)可以用轉(zhuǎn)移自由能ΔGTR來(lái)描述.例如,考慮溶劑從甲醇改變?yōu)镈MSO時(shí)的轉(zhuǎn)移自由能,,對(duì)于鉀離子K,ΔGTR-25KJMOL-1;對(duì)于氯離子CI-,ΔGTR30KJMOL-1.可以看出,DMSO中正離子的溶劑化作用要比在MEOH中強(qiáng),而負(fù)離子則相反.因此,當(dāng)離子化合物溶于非質(zhì)子極性溶劑中時(shí),負(fù)離子溶劑化作用很弱,更為活潑.,從質(zhì)子溶劑改變?yōu)榉琴|(zhì)子極性溶劑時(shí),反應(yīng)速率的變化也與進(jìn)攻試劑負(fù)離子的大小有關(guān).例如,鹵素離子在水、醇等質(zhì)子溶劑中的親核性次序?yàn)镮->BR->CL->F-.但是在DMF等非質(zhì)子極性溶劑中,親核性次序?yàn)镕->CL->BR->I-.這是由于較小的負(fù)離子在質(zhì)子溶劑中形成較強(qiáng)的氫鍵而產(chǎn)生較大的溶劑化作用.CL-的負(fù)電荷比I-的負(fù)電荷更為集中,使得CL-被質(zhì)子溶劑分子包圍得更緊,這好像在CL-與反應(yīng)物之間有一道壁壘.I-的體積較大,電荷較分散,與溶劑締合程度小,使得I-比較自由,比CL-活潑.因此,CL-的堿性雖大于I-,但在質(zhì)子溶劑中CL-的親核性卻小于I-.但在非質(zhì)子極性溶劑中,溶劑只與正離子強(qiáng)締合,負(fù)離子是近乎裸露的,因此鹵負(fù)離子的堿性與親核性就一致了CL-I-,§33溶劑效應(yīng)對(duì)SN1、SN2反應(yīng)機(jī)理的影響共價(jià)鍵的異裂比均裂需要更多的能量,因?yàn)樵陔婋x時(shí)還需克服靜電引力。由于這額外的能量可由離子與溶劑分子之間的相互吸引作用(溶劑化能)補(bǔ)償,所以離子型反應(yīng)幾乎都是在溶液中進(jìn)行的,而這樣的反應(yīng)必然對(duì)溶劑的本質(zhì)非常敏感.對(duì)于一個(gè)電中性的反應(yīng)物來(lái)說(shuō),溶劑對(duì)離子的溶劑化能力(即其極性)越強(qiáng),則異裂反應(yīng)的活化能越低.,需要能量,放出能量,凈熱效應(yīng),SN1反應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于溶劑的本質(zhì),它只發(fā)生在能最大程度地使離子溶劑化的那些溶劑中.最強(qiáng)的溶劑化力是氫鍵,其次是電荷-偶極相互作用.另外,這些溶劑應(yīng)具有盡可能弱的親核能力,否則溶劑解產(chǎn)物將通過(guò)直接取代反應(yīng)SN2生成,而不是通過(guò)溶劑化離子來(lái)生成.這就把溶劑種類的范圍限制在溶劑解反應(yīng)中能產(chǎn)生碳正離子的磺酸、羧酸、硫酸、水和醇.然而,甚至在這些極性溶劑中,溶劑解反應(yīng)也可能以兩種混合的機(jī)理進(jìn)行溶劑部分地作為親核試劑進(jìn)攻碳原子,也部分地作為溶劑化介質(zhì).,兩種途徑的速率分別為KC和KS,溶劑解反應(yīng)的總速率為,式中F為進(jìn)行電離生成產(chǎn)物的反應(yīng)物分?jǐn)?shù),而回復(fù)至起始原料的反應(yīng)物分?jǐn)?shù)為1-F.為了研究通過(guò)SN1機(jī)理進(jìn)行的溶劑解反應(yīng),需要選擇一種溶劑,它的FKC/KS應(yīng)盡可能地大.這個(gè)比值表示溶劑的極限特征,因?yàn)檫@要求KS≈0.大量數(shù)據(jù)指出了各種溶劑的極限特征增大的次序,反應(yīng)物的電離速率也是依下列溶劑次序而增大BUOHETOH<MEOH<H2O<ACOH<HCOOH<CF3CH2OH<CF3COOH<H2SO4<FSO3H.按此系列,純的碳正離子反應(yīng)的可能性增大.,溶劑對(duì)溶劑解反應(yīng)速率的影響,從上表可見(jiàn),電中性反應(yīng)物與中性親核試劑(即溶劑)以SN1或SN2機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)時(shí),反應(yīng)速率隨溶劑極性的增加而都有很大的增加.因此,溶劑效應(yīng)不能作為區(qū)別SNL和SN2機(jī)理的有效工具.然而,實(shí)際上往往用加入溶劑陰離子后再觀察溶劑效應(yīng)的方法來(lái)區(qū)別它們.例如,氯代正丁烷在氫氧化鈉乙醇水溶液中的反應(yīng)隨著介質(zhì)中水的含量增加而反應(yīng)速率稍降低SN2反應(yīng).對(duì)SN1反應(yīng),在同樣條件下加或不加OH-氯代叔丁烷的反應(yīng)隨著水的含量增加而大大加速.定量的,可以從WINSTEINGRUNWALD溶劑極性參數(shù)公式中的M值來(lái)看,仲烷基化合物往往以混合機(jī)理進(jìn)行反應(yīng),如何從中分出“溶劑協(xié)助”和“電離”兩個(gè)組分KS和FKC呢,對(duì)2金剛烷基對(duì)甲苯磺酸酯而言,由于其幾何形狀的限制,它是不能進(jìn)行SN2反應(yīng),或在離去基團(tuán)背后接受親核協(xié)助,因此可以認(rèn)為在任何溶劑中它的反應(yīng)速率歸因于純的電離SN1組分FKC,這可以用進(jìn)行SN1和SN2反應(yīng)的典型化合物的數(shù)據(jù)與該化合物的特征數(shù)據(jù)比較(下表)來(lái)推斷.,上面的數(shù)據(jù)說(shuō)明了對(duì)2金剛烷基對(duì)甲苯磺酸酯,2金剛烷基對(duì)甲苯磺酸酯的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與典型數(shù)據(jù)比較,這樣就算有了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),可以來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)仲的底物在不同極性的溶劑中進(jìn)行溶劑解,或者簡(jiǎn)單地看成在親核取代反應(yīng)中,兩種機(jī)理各占多少比例的定量問(wèn)題了,因?yàn)楝F(xiàn)在已假定金剛烷基酯的反應(yīng)速率等于其他仲烷對(duì)甲苯磺酸酯的電離組分FKC,因此,速率比值KOBS異丙基/KOBS2金剛烷基可以作為溶劑的親核協(xié)助程度的指標(biāo),這個(gè)比值隨著從高度極性溶劑CF3COOH到極性較弱但親核的ETOH的次序而明顯地增大,其中KS組分占優(yōu)勢(shì).下表就是異丙醇對(duì)甲苯磺酸酯從CF3COOH中純的SNL機(jī)理過(guò)渡到乙醇中的幾乎純的SN2機(jī)理的變化.,
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簡(jiǎn)介:第五節(jié)反應(yīng)級(jí)數(shù)的測(cè)定,化學(xué)反應(yīng)的瞬時(shí)速度R是很難直接測(cè)量的,一般都是間接測(cè)量。RD?/DT難CFT先測(cè)定RFCIMPORTANT簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng),測(cè)出反應(yīng)級(jí)數(shù)就能得到速率方程。測(cè)定反應(yīng)級(jí)數(shù)的方法常用的有三類,所謂積分法就是利用速率公式的積分形式來(lái)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的方法,可分為以下幾種1嘗試法。將不同時(shí)刻測(cè)出的反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)代入各反應(yīng)級(jí)數(shù)的積分公式,求算其速率常數(shù)K的數(shù)值,如果按某個(gè)公式計(jì)算的K為一常數(shù),則該公式的級(jí)數(shù)即為反應(yīng)級(jí)數(shù)。,一、積分法,2作圖法。因?yàn)閷?duì)一級(jí)反應(yīng),以LNC對(duì)T作圖應(yīng)得直線;對(duì)二級(jí)反應(yīng),以1/C對(duì)T作圖應(yīng)得直線;對(duì)三級(jí)反應(yīng),以1/C2對(duì)T作圖應(yīng)得直線;對(duì)零級(jí)反應(yīng),以C對(duì)T作圖應(yīng)得直線;所以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按上述不同形式作圖,如果有一種圖成直線,則該圖代表的級(jí)數(shù)即為反應(yīng)的級(jí)數(shù)。,,LNC,T,1/C,T,,T,T,C,,一級(jí)反應(yīng),二級(jí)反應(yīng),0級(jí)反應(yīng),,三級(jí)反應(yīng),CH3COOC2H5OH?CH3COOC2H5OH25oC,AB0064MOLDM3在不同時(shí)刻取樣25CM3,加入25CM3C0064MOLDM3的HCL。多余的酸用010MOLDM3的NAOH滴定,得數(shù)據(jù)如下表求反應(yīng)級(jí)數(shù)和速率常數(shù)。,設(shè)T時(shí)刻反應(yīng)掉的反應(yīng)物濃度為X,據(jù)題意得2500CM3X01000MOLDM3VNAOH計(jì)算數(shù)據(jù)列在下表,1嘗試法26組數(shù)據(jù),,,LNAXT,1/AXT,以上兩種方法常用來(lái)測(cè)定反應(yīng)級(jí)數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是只要一次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)就能進(jìn)行嘗試或作圖;其缺點(diǎn)是不夠靈敏,只能運(yùn)用于簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不夠長(zhǎng),轉(zhuǎn)化率又低的反應(yīng)所得的CT數(shù)據(jù)可能按一級(jí)、二級(jí)甚至三級(jí)特征作圖均得線性關(guān)系。,二、微分法,微分法就是用速率公式的微分形式來(lái)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的方法。如果各反應(yīng)物濃度相同或只有一種反應(yīng)物時(shí),其反應(yīng)速率公式為,,測(cè)定不同時(shí)刻反應(yīng)物的濃度,作濃度對(duì)時(shí)間T的曲線,在曲線上任一點(diǎn)切線的斜率即為該濃度下的瞬時(shí)速率R。只要在CT曲線上任取兩個(gè)點(diǎn),則這兩個(gè)點(diǎn)上的瞬時(shí)速率為,將上式取對(duì)數(shù)后相減取得反應(yīng)級(jí)數(shù)N,,另外,對(duì)瞬時(shí)速率的通式取對(duì)數(shù)可得LNRLNKNLNC,NA→PT0CA,00TTCAX,微分法要作三次圖,引入的誤差較大,但可適用于非整數(shù)級(jí)數(shù)反應(yīng)。,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作CA~T曲線。在不同時(shí)刻T求DCA/DT以LNDCA/DT對(duì)LNCA作圖,具體作法,從直線斜率求出N值。,使用微分法確定反應(yīng)級(jí)數(shù)時(shí),如果處理的方法不同,所得的級(jí)數(shù)含義也不同。一種處理方法是在CT圖上,求出不同時(shí)刻,即相應(yīng)于不同濃度時(shí)切線的斜率,即為在該時(shí)刻的瞬時(shí)速率。然后將瞬時(shí)速率的對(duì)數(shù)LNR對(duì)LNC作圖,所得直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)。這樣確定的反應(yīng)級(jí)數(shù)稱為對(duì)時(shí)間而言的反應(yīng)級(jí)數(shù),用符號(hào)NT表示。,,,,,,,,C1,C2,C3,,,,,LNC,LNR,微分法測(cè)反應(yīng)級(jí)數(shù),T,另一種處理方法是在不同的起始濃度時(shí)測(cè)量不同的起始速率。然后將這些起始速率的對(duì)數(shù)LNR對(duì)相應(yīng)的起始濃度的對(duì)數(shù)LNC作圖,應(yīng)得一直線,此直線的斜率即為反應(yīng)級(jí)數(shù)。用這種起始速率微分法可以避免由于副反應(yīng)或中間產(chǎn)物而導(dǎo)致的一些干擾因素。用這種方法確定的級(jí)數(shù)可稱為對(duì)濃度而言的級(jí)數(shù),或稱真實(shí)級(jí)數(shù),用符號(hào)NC表示。,,,,,LNC,LNR,C1,C2,C3,,,,,,,T,初始速率微分法測(cè)反應(yīng)能數(shù)N,對(duì)具有簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)的反應(yīng)來(lái)說(shuō),用上述兩種微分法確定的級(jí)數(shù)NT和NC是相同的。但對(duì)復(fù)雜反應(yīng)來(lái)說(shuō),就不一定相同了。如果NTNC,則意味著反應(yīng)速率的下降比真實(shí)級(jí)數(shù)所預(yù)期的快些。這可能是由于反應(yīng)中所形成的某些中間產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)起了抑制作用。,三、半衰期法,不同級(jí)數(shù)的反應(yīng),其半衰期與反應(yīng)物起始濃度的關(guān)系不同,但可歸納出半衰期T1/2與起始濃度A又下列關(guān)系T1/2KC01–NN0,T1/2KC0DIRECTRATIOT1/2C0/2K0N1,T1/2KISCONSTANTT1/2LN2/K1N2,T1/2KC01INVERSERATIOT1/21/K2C0N3,T1/2KC02與濃度的平方成反比T1/23/2K3C02,式中K為與速率常數(shù)有關(guān)的比例常數(shù)。將上式取對(duì)數(shù)可得LNT1/2LNK1–NLNA由上式可以看出,如果采用不同的起始濃度A,并找出對(duì)應(yīng)的T1/2之值,則以LNT1/2對(duì)LNA作圖應(yīng)得一直線,由其斜率可以得到反應(yīng)級(jí)數(shù)N。另外,由上面的對(duì)數(shù)式不難導(dǎo)出,,半衰期法的原理上并不限于半衰期,也可用于反應(yīng)物反應(yīng)了1/3、2/3、3/4、等的時(shí)間代替半衰期,而且也只需一次實(shí)驗(yàn)的CT曲線即可求得反應(yīng)級(jí)數(shù)。但它的缺點(diǎn)是反應(yīng)物不止一種而起始濃度而不相同時(shí),就變得比較復(fù)雜了。,用半衰期法求除一級(jí)反應(yīng)以外的其它反應(yīng)的級(jí)數(shù)。,以LNT1/2~LNA作圖從直線斜率求N值。從多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用作圖法求出的N值更加準(zhǔn)確。,根據(jù)N級(jí)反應(yīng)的半衰期通式取兩個(gè)不同起始濃度A,A’作實(shí)驗(yàn),分別測(cè)定半衰期為T1/2和,因同一反應(yīng),常數(shù)A相同,所以,(,基于以上討論,顯然用半衰期法確定反應(yīng)級(jí)數(shù)比起用微分法來(lái)就不那么可靠了。因?yàn)榘胨テ诒旧硎桥cNT有關(guān)的,而半衰期隨起始濃度的變化卻是與NC有關(guān)的。孤立法(或過(guò)量濃度法)如果有兩種或兩種以上的物質(zhì)參加反應(yīng),而各物質(zhì)的起始濃度又不相同,起速率公式為RKA?B?這時(shí)可以采用過(guò)量濃度法(或稱孤立法)確定反應(yīng)級(jí)數(shù)。,可以選擇這樣的實(shí)驗(yàn)條件,即在一組實(shí)驗(yàn)中保持除A以外的B、等物質(zhì)大大過(guò)量,則反應(yīng)過(guò)程中只有A的濃度有變化,而其它物質(zhì)的濃度基本保持不變,或者在各次實(shí)驗(yàn)中用相同的B、等物質(zhì)的起始濃度而只改變A的起始濃度,這時(shí)速率公式就轉(zhuǎn)化為RK’A?,然后用上述積分法或微分法中的任何一種先求?。再在另一組實(shí)驗(yàn)中保持除B以外的物質(zhì)過(guò)量,或除B以外的物質(zhì)的起始濃度均相同而只改變B的起始濃度,求出?。余類推,則反應(yīng)級(jí)數(shù)應(yīng)為N??,2H22NO?N22H2O得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下分別確定NOANDH2的反應(yīng)級(jí)數(shù)和速率公式。,LNRLNKNLNC,REPLACECWITHP,,,,,??2,??1,第六節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響,范霍夫根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律溫度每升高10K,反應(yīng)速率近似增加24倍。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律可以用來(lái)估計(jì)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。,例如某反應(yīng)在390K時(shí)進(jìn)行需10MIN。若降溫到290K,達(dá)到相同的程度,需時(shí)多少,解取每升高10K,速率增加的下限為2倍。,早在上世紀(jì)末,ARREHENIUS總結(jié)了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了溫度對(duì)反應(yīng)速率的經(jīng)驗(yàn)公式式中的EA稱為實(shí)驗(yàn)活化能,一般可看作與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。將上式作不定積分,一、阿累尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式,,,由上式可以看出,以LNK對(duì)1/T作圖應(yīng)得一直線,起斜率為–EA/R。此外,上面得到的不定積分式可以改寫(xiě)為下列形式,上式的A為一常數(shù),通常稱為指前因子或頻率因子。由上式可以看出,速率常數(shù)與溫度T成指數(shù)關(guān)系,所以上式也稱為反應(yīng)速率的指數(shù)定律。,并不是所有的反應(yīng)都能夠符合ARRHENIUS公式。各種化學(xué)反應(yīng)的速率與溫度的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。目前已知有五種類型。,(1)反應(yīng)速率隨溫度的升高而逐漸加快,它們之間呈指數(shù)關(guān)系,這類反應(yīng)最為常見(jiàn)。,(2)開(kāi)始時(shí)溫度影響不大,到達(dá)一定極限時(shí),反應(yīng)以爆炸的形式極快的進(jìn)行。,(3)在溫度不太高時(shí),速率隨溫度的升高而加快,到達(dá)一定的溫度,速率反而下降。如多相催化反應(yīng)和酶催化反應(yīng)。,(4)速率在隨溫度升到某一高度時(shí)下降,再升高溫度,速率又迅速增加,可能發(fā)生了副反應(yīng)。,(5)溫度升高,速率反而下降。這種類型很少,如一氧化氮氧化成二氧化氮。,1活化分子和活化能概念A(yù)RRHENIUS認(rèn)為不是反應(yīng)物分子之間之間的任何一次直接作用都能發(fā)生反應(yīng),只有那些能量相當(dāng)高的分子之間的直接作用方能發(fā)生反應(yīng)。在直接作用中能發(fā)生反應(yīng)的、能量高的分子稱為活化分子?;罨肿拥哪芰勘绕胀ǚ肿拥哪芰康某鲋捣Q為反應(yīng)的活化能。后來(lái),TOLMAN用統(tǒng)計(jì)力學(xué)證明對(duì)基元反應(yīng)來(lái)說(shuō),活化,二、活化能的概念及其實(shí)驗(yàn)測(cè)定,能是活化分子的平均能量與所有分子的平均能量之差,可用下式表示濃度為1MOLDM3,V1CM3,碰撞為1028次/S105S完成反應(yīng)。,,反應(yīng)物A獲得能量EA變成活化狀態(tài)A,才能生成產(chǎn)物P,逆反應(yīng),P應(yīng)獲得能量EA′才能越過(guò)能壘變成A,活化能示意圖,2活化能的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,(I)作圖法上式是ARRHENIUS公式的不定積分形式,可以看出一LNK對(duì)1/T作圖,可得一直線,EA–斜率?R,(3)ARRHENIUS公式的一些應(yīng)用,1對(duì)一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋由所謂的指數(shù)定律可以解釋任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)其速率的快慢主要取決于反應(yīng)活化能的大小。EA越大,K越小。一般化學(xué)反應(yīng)的活化能在60250KJMOL–1。,(II)數(shù)值計(jì)算法將ARREHNIUS公式在兩個(gè)溫度之間作定積分,則可求出反應(yīng)的活化能。P470EXAMPLE7,,從ARREHENIUS公式的微分形式可以看出,一反應(yīng)的活化能越大,則K隨溫度的變化率越大;反之,反應(yīng)的活化能越小,K隨溫度的變化率越小。3確定較適宜的反應(yīng)溫度原則上講,只需將ARRHENIUS公式代入反應(yīng)的速率公式,即可解決較適宜的反應(yīng)溫度的問(wèn)題。綜上所述,ARRHENIUS公式在化學(xué)動(dòng)力學(xué)中有重大作用,下面還對(duì)它作兩點(diǎn)補(bǔ)充說(shuō)明,1ARRHENIUS公式對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)或復(fù)合反應(yīng)中的每一基元反應(yīng)總是適用的。對(duì)某些復(fù)合反應(yīng),只有其速率公式具有濃度指數(shù)乘積的形式,仍然可以ARRHENIUS公式。但此時(shí)公式的的活化能不像簡(jiǎn)單反應(yīng)那樣具有明確意義,而可能是組成該復(fù)合反應(yīng)的各個(gè)基元反應(yīng)活化能的某種組合,因此通常被稱為表觀活化能。,活化能與溫度的關(guān)系,在ARRHENIUS公式中,將反應(yīng)活化能看作一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),而實(shí)際上它是略與溫度有關(guān)的。,EA是基元反應(yīng)的活化能,QV是溫度的函數(shù),所以EA也是溫度的函數(shù)。,,,,,,,,,E,E,,?UQV,A,活化狀態(tài),,,,EA,,,U生成物,U反應(yīng)物,三、藥物貯存預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)藥物的貯存期一般用動(dòng)力學(xué)的加速試驗(yàn)法。又可分為恒溫法和變溫法。(一)恒溫法經(jīng)典法測(cè)定幾個(gè)不同溫度下的動(dòng)力學(xué)常數(shù),然后用LNK1/T作圖,根據(jù)ARRHENIUS指數(shù)定律,外推到室溫,求室溫下的K298,推測(cè)藥物的貯存期。這種方法適用于E40120KJMOL1的反應(yīng)。,(二)經(jīng)典變溫法,反應(yīng)過(guò)程中程序升溫,使溫度和時(shí)間關(guān)系符合下式據(jù)ARRHENIUS公式,一級(jí)反應(yīng)DC/DTKDT代入上式,1918年,LEWIS利用氣體分子運(yùn)動(dòng)論建立起碰撞理論。對(duì)于反應(yīng)如何進(jìn)行的問(wèn)題,碰撞理論有兩點(diǎn)基本看法兩個(gè)反應(yīng)物分子要發(fā)生反應(yīng)的先決條件是必須發(fā)生碰撞;但不是任何兩個(gè)反應(yīng)物分子之間的碰狀都能發(fā)生反應(yīng),只有當(dāng)活化分子之間的碰撞后才能發(fā)生反應(yīng)。,第十四節(jié)雙分子反應(yīng)的簡(jiǎn)單碰撞理論,反應(yīng)速率是單位時(shí)間內(nèi)的碰撞數(shù),根據(jù)以上兩點(diǎn)基本看法,自然就得到一個(gè)結(jié)論活化分子在單位時(shí)間內(nèi)的碰撞數(shù)就應(yīng)該是反應(yīng)速率。因此,如果用符號(hào)Z來(lái)代表反應(yīng)系統(tǒng)中單位體積、單位時(shí)間內(nèi)分子之間的碰撞數(shù),用符號(hào)Q代表有效碰撞數(shù)中所占的分?jǐn)?shù),那么,反應(yīng)速率就可寫(xiě)為,,(1)碰撞數(shù)Z的計(jì)算,,,,,,DAB,(2)有效碰撞數(shù)Q的計(jì)算,對(duì)大多數(shù)移動(dòng)能在平均值附近或比平均值低的氣體分子來(lái)說(shuō),由于碰撞并不劇烈,不足以引起分子中鍵的松動(dòng)和斷裂,因此不能引起反應(yīng),碰撞后隨即分開(kāi),這種碰撞稱為彈性碰撞。只有那些移動(dòng)能足夠高的氣體分子,由于碰撞較為劇烈,有可能松動(dòng)和破壞舊化學(xué)鍵而變成產(chǎn)物分子,這種碰撞稱為反應(yīng)碰撞,也就是有效碰撞。,A和B兩分子碰撞的劇烈程度取決于A、B兩個(gè)分子在質(zhì)心連線方向上的相對(duì)移動(dòng)能,只有當(dāng)A、B分子的這種相對(duì)移動(dòng)能超過(guò)某一數(shù)值時(shí)方能發(fā)生反應(yīng),人們將這一數(shù)值稱為化學(xué)反應(yīng)的臨界能或閾能,用?C來(lái)表示。ECL?C為活化能如果假設(shè)反應(yīng)速率比分子間能量傳遞的速率慢得多,即反應(yīng)發(fā)生時(shí)分子的能量分布仍然遵守平衡時(shí)的波茲曼能量分布;如果將分子的碰撞看作是二維運(yùn)動(dòng),則根據(jù)能量分布定律可知,能量在EC以上,,,N,E,EC,,的分子數(shù)占總分子數(shù)的分?jǐn)?shù)為,令人遺憾的是碰撞理論本身并不能預(yù)言EC將是多大,而需要借助ARRHENIUS公式的實(shí)驗(yàn)活化能EA方可求Q,這是碰撞理論的一大缺陷。,(3)速率常數(shù)K的計(jì)算,化學(xué)反應(yīng)的速率為雙分子反應(yīng)的速率,速率常數(shù),(4)碰撞理論的成功與失敗,碰撞理論對(duì)于反應(yīng)究竟是如何進(jìn)行的提供一個(gè)簡(jiǎn)單而清晰的物理圖象,它解釋了簡(jiǎn)單反應(yīng)的速率公式和ARRHENIUS公式成立的原因。對(duì)于一些分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的反應(yīng),從理論上求算的K值和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的K值能較好地符合。根據(jù)碰撞理論可知EAEC?RT,而實(shí)驗(yàn)也表明活化能確實(shí)和溫度是相關(guān)的。,活化能和溫度的關(guān)系,碰撞理論有以下兩個(gè)方面的主要缺點(diǎn)(I)碰撞理論本身不能預(yù)言EC的大小,需要借助ARRHENIUS公式才能計(jì)算K的大小,但這樣就失去了從理論上預(yù)言K的意義。(II)在碰撞理論中曾假設(shè)反應(yīng)物分子是個(gè)內(nèi)部無(wú)結(jié)構(gòu)的剛性球體。這個(gè)假定過(guò)于粗糙。因此只是對(duì)那些反應(yīng)物分子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的反應(yīng)來(lái)說(shuō),理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合較好,但對(duì)更多的反應(yīng)來(lái)說(shuō),計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有很大的偏差。,對(duì)復(fù)雜反應(yīng)來(lái)說(shuō),除需要考慮能量因素外,還需考慮碰撞時(shí)的空間方位問(wèn)題,還可能有反應(yīng)部位附近有較大的原子團(tuán)起屏蔽作用以及分子內(nèi)部能量傳遞需要一定的時(shí)間等時(shí)間。因此有人提出應(yīng)在碰撞理論的速率公式前而乘一校正因子P,即但碰撞理論本身是不能求算P的大小,因而成為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的校正系數(shù)。,
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