1、2022-1-24111.7 链反应链反应 链反应链反应又称又称连锁反应连锁反应，是一种具有特殊规律的、常见，是一种具有特殊规律的、常见的复合反应，它主要是由大量反复循环的连串反应所组成。的复合反应，它主要是由大量反复循环的连串反应所组成。单链反应单链反应支链反应支链反应链反应链反应2022-1-2421 1单链反应的特征单链反应的特征以反应以反应 为例为例反应机理反应机理链的开始链的开始链的传递链的传递链的终止链的终止链传递物链传递物特点：特点：连传递过程中消耗一个传递物的同时产生一个新的连传递过程中消耗一个传递物的同时产生一个新的传递物。传递物。 ClHClClH32kMCl2MCl12
2、k HHClHCl22kMClMCl224 kHClClH222据统计据统计, , 一个一个ClCl 往往能循环反应生成往往能循环反应生成10104 4-10-106 6个个HClHCl分子之多分子之多. .2022-1-2432. 2. 由单链反应的机理推导反应速率方程由单链反应的机理推导反应速率方程 以反应以反应 为例，实验测定的速率方程为为例，实验测定的速率方程为 1 1 2 222222 2HB rHB rd H B rd H B rd d1+H B rB r1+H B rB rk kt tk k= =克里斯琴森克里斯琴森(Christiansen) 机理：机理： BrHBrBrH32
3、k Br2Br12k链的引发链的引发: HHBrHBr22k链的传递链的传递: 2BrBr25 k链的终止链的终止: BrHHBrH24k链的阻滞链的阻滞: HBrBrH2222022-1-244由稳态法由稳态法0ddHBrH4BrH3HBr2H22 cckcckccktc0dd2Br5HBrH4BrH3HBr2Br1Br222 ckcckcckcckcktc2022-1-245解得解得1/2Br2/151Br2)/(ckkc HBr4Br31/2BrH2/1512H222)/(ckckcckkkc 代入代入 HBr 的生成速率方程的生成速率方程HBrH4BrH3HBr2HBr22ddcckc
4、ckccktc 222BrHBr341/2BrH2/1512HBr/)/(1)/(2ddcckkcckkktc 得得此式与实验速率方程相对比此式与实验速率方程相对比, ,)/( ,)/(2342/1512kkkkkkk 可见上述机理得出的速率方程与实验结果相符可见上述机理得出的速率方程与实验结果相符. 这是上述机这是上述机理正确性的一个必要条件理正确性的一个必要条件(但非充分条件但非充分条件).2022-1-246 其它可能的基元反应不出现在机理中的原因其它可能的基元反应不出现在机理中的原因: 链引发反应链引发反应 H2 2H 和和 HBr H + Br 因为因为H2和和HBr的解的解离能比离
5、能比Br2大得多大得多, 离解反应的活化能也必然高得多离解反应的活化能也必然高得多. 链传递反应链传递反应 Br + HBr Br2 + H 该反应活化能该反应活化能 176 kJ mol1, 比反应比反应 Br + H2 HBr + H 的活化能的活化能 74kJ mol1 大得多大得多. 链终止反应链终止反应 H + Br HBr和和2H H2 这是因为据估算这是因为据估算cH/cBr 10 6, 所以所以H与与Br的反应速度约为的反应速度约为Br与与Br反应的百万反应的百万分之一分之一, 而而H与与H反应则为它的反应则为它的1012倍倍. 为什么为什么 H2 与与 I2 不进行类似的链传
6、递反应呢不进行类似的链传递反应呢? 这也是因为链传递反应这也是因为链传递反应Br + H2 HBr + H 的活化能仅为的活化能仅为 74kJ mol1 , 而反应而反应I + H2 HI + H 的活化能高达的活化能高达155 kJ mol1. 总之总之, 反应总是沿着活化能峰小的途径进行反应总是沿着活化能峰小的途径进行.2022-1-247爆炸爆炸是瞬间即完成的高速化学反应是瞬间即完成的高速化学反应. 放热反应瞬间放出大放热反应瞬间放出大量的热量且不能很快散出量的热量且不能很快散出, 会引起会引起热爆炸热爆炸. 发生爆炸更重要的发生爆炸更重要的原因是原因是支链反应支链反应. 随着支链的发展
7、随着支链的发展, 链传递物链传递物(活性质点活性质点)剧增剧增, 反应速率激剧增大反应速率激剧增大, 并导致爆炸并导致爆炸. 直链直链支链支链 直链反应和支链反应的直链反应和支链反应的比较比较 NH4NO3在锌粉和含在锌粉和含氯离子的催化剂存在氯离子的催化剂存在时发生分解爆炸时发生分解爆炸. 3支链反应与爆炸界限支链反应与爆炸界限2022-1-248 核裂变链反应核裂变链反应该反应由铀该反应由铀-235捕获一个中子所引发捕获一个中子所引发nn1091361425610235923KrBaU 2022-1-249支链爆炸反应的温度支链爆炸反应的温度, 压力和组成构成一定的爆炸区间压力和组成构成一
8、定的爆炸区间, 称称为为爆炸界限爆炸界限. 当以当以H2 :O22:1的分子比在一个内径为的分子比在一个内径为7.4cm内壁内壁涂有涂有KCl的玻璃反应管中进行反应时的玻璃反应管中进行反应时, 实验结果如右下图实验结果如右下图. 温度温度低于低于673K, 系统在任何压力下都系统在任何压力下都不爆炸不爆炸, 在有火花引发的情况下在有火花引发的情况下, H2和和2将平稳地反应将平稳地反应. 温度温度高于高于673K, 有爆炸的可能有爆炸的可能, 这要看这要看产生支链和断链作用的相对大小产生支链和断链作用的相对大小. 以以800K时的反应情况来分析时的反应情况来分析. 实验中可实验中可观测到有三个
9、爆炸界限观测到有三个爆炸界限:&低于低于下限下限时反应极慢时反应极慢;&在在下限和上限下限和上限之间时之间时, 发生爆炸发生爆炸; &压力压力高于上限高于上限后反应又平稳进行后反应又平稳进行, 但速率随压力增高而增大但速率随压力增高而增大;&达到和达到和超过第三限超过第三限后又发生爆炸后又发生爆炸. 2022-1-2410反应反应H2+(1/2)O2 H2O是一个支链反应是一个支链反应, 一般认为机理如下一般认为机理如下: (1) H2O2 2OH 引发引发(2) OH H2 H2OH (快快) 增长增长(3) H O2 OH O (慢慢) 分支分支(4) O H2 OH H (快快) 分支分
10、支(5) H 器壁器壁 (低压低压) 终止终止 (6) H O2 + M HO2 + M (高压高压) 终止终止2022-1-24110) 10() 10()24() 11 ()02(dd26523221MOHkHkOHkHHOkktR022265231MOHkHkOHkk22232651OkMOkkkH02,23265OkMOkk爆炸2, 0,23526OkkMOkp小2, 0,23265OkMOkkp大2022-1-2412 爆炸产生的原因主要在两步分支反应爆炸产生的原因主要在两步分支反应. 低压下低压下, 链传递体链传递体H 易扩散至器壁销毁易扩散至器壁销毁, 当压力低至使反应当压力低至
11、使反应(5)比反应比反应(3)占优势时占优势时, 不发生爆炸不发生爆炸. 而当压力增大至一定程度时而当压力增大至一定程度时, 反应反应(3) 占优势则发生爆炸占优势则发生爆炸. 这就是这就是爆炸下限爆炸下限. 当压力继续升高时当压力继续升高时, 反应反应(6)(三级反应三级反应)受压力影响最大而逐显受压力影响最大而逐显突出突出, 销毁销毁H 生成较不活勃的生成较不活勃的HO2 , 故抑制了爆炸故抑制了爆炸, 这就是这就是爆爆炸上限炸上限. 压力再升高压力再升高, HO2 就会在未扩散到器壁以前又发生反应生成就会在未扩散到器壁以前又发生反应生成OH : HO2 + H2 H2O + OH , 这就是爆炸这就是爆炸第三限第三限.2022-1-2413气体组成对爆炸反应也有影响气体组成对爆炸反应也有影响. 如氢如氢, 氧混合气体氧混合气体, 含氢在含氢在494%(体积体积)的范围内的范围内, 点火都可能发生爆炸点火都可能发生爆炸. 所以所以4%为爆炸为爆炸低限低限, 94%为为高限高限.Homework 46
