Енергийни профили на многостъпкови реакции | Кинетика | Химия за напреднали | Кан Академия

Много химични реакции имат механизми, които се състоят от множество елементарни стъпки. Енергийният профил за многостъпкова реакция може да се използва за сравняване на активационните енергии на различните стъпки и идентифициране на скоростоопределящия етап. Енергийният профил също може да бъде използван за определяне на цялостната промяна в енергията за реакцията. Гледай още уроци или се упражнявай по този предмет на https://bg.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:kinetics/x2eef969c74e0d802:activation-energy-and-reaction-rate/v/multistep-reaction-energy-profiles

За Кан Академия: Кан Академия е организация с нестопанска цел с мисия да предостави безплатно образование на световно ниво на всеки, навсякъде. Вярваме, че учащите се от всички възрасти трябва да имат неограничен достъп до безплатно образователно съдържание, което могат да овладеят със собствената си скорост. Използваме интелигентен софтуер, задълбочен анализ на данните и интуитивни потребителски интерфейси, за да помогнем на ученици и учители по целия свят. Ресурсите ни покриват от подготвителните групи до ранното колежанско образование, включително математика, биология, химия, физика, икономика, финанси, история, граматика и още повече. Предлагаме безплатна персонализирана подготовка за теста SAT, като си партнираме с разработчика на теста, Колежанския борд. Кан Академия е преведена на дузини езици и 15 милиона души по целия свят учат с Кан Академия всеки ден. Като 501(c)(3) организация с нестопанска цел, с радост ще приемем помощта ти! Дари или стани доброволец днес!

Дари тук: https://www.khanacademy.org/donate?utm_source=youtube&utm_medium=desc
Стани доброволец тук: https://www.khanacademy.org/contribute?utm_source=youtube&utm_medium=desc

Да разгледаме една реакция

със следния многоетапен механизъм.

В стъпка едно А реагира с ВС,
за да образува АС + В.

В стъпка две АС реагира с D,
за да образува А + CD.

Ако събера двете стъпки
на механизма в едно,

можем да намерим
балансираното уравнение

за тази хипотетична реакция.

Ще поставим всички реактанти

в лявата страна и ще имаме

всички продукти вдясно.

Виждаме, че АС е и вляво,
и вдясно,

така че можем да го съкратим.

А също е и вляво, и вдясно,

така че можем да съкратим и него.

Цялостното уравнение е ВС + D

дава В + CD.

Видяхме, че ВС и D са реактантите,

а В и CD са продуктите

в тази хипотетична реакция.

Ако разгледаме механизма,
виждаме А тук в началото

и виждаме А тук в края.

Но А не е реактант или продукт,

следователно А трябва да е
катализатор.

Нещо друго, което не е реактант
или продукт, е АС.

Забележи как АС беше генерирано

в първия етап на механизма ни,

а после АС се изразходва
във втория етап на механизма.

Следователно АС е междинно
съединение в тази реакция.

След това да разгледаме
енергийния профил

за тази многоетапна рекация.

При енергийните профили обикновено
потенциалната енергия се намира на оста у,

а времето за протичане
на реакцията на оста х.

Докато се движим надясно по оста х

реакцията протича.

Първата линия в енергийния ни профил

представлява енергийното ниво на реактантите,

които са ВС и D.

Нека покажем връзката между В и С.

И после имаме налично и D.

Катализаторът ни също е наличен

в самото начало на реакцията.

Ще начертая А над двата ни реактанта.

Можем да видим, че в енергийния
профил имаме две изпъкналости.

Първата изпъкналост съответства на
първата стъпка от механизма,

а втората изпъкналост

съответства на втората стъпка.

Максимумът на първата изпъкналост
е преходното състояние

за първата стъпка на механизма.

В първата стъпка виждаме, че
катализаторът А

контактува с ВС, или реагира с ВС,

за да образува междинното съединение АС.

Тоест А трябва да контактува с ВС
и в преходното състояние

връзката между В и С се разкъсва

и в същото време се образува
връзката между А и С.

Пак имаме наличен реактанта D

в тази изпъкналост.

Ще начертая D тук.

Когато А реагира с ВС,
сблъсъкът трябва да има

достатъчно кинетична енергия, че да
надвиши прага на активиращата енергия,

която е необходима за протичане
на реакцията.

И на този енергиен профил

активиращата енергия е разликата в енергията

между реактантите и преходното състояние,

тоест самият връх на хълма.

Тази разлика в енергия

съответства на активиращата енергия

за първата стъпка на механизма,
която ще наречем Еа1.

Ако приемем, че сблъсъкът
има достатъчно енергия,

за да надвиши активиращата енергия,

ще се образува междинния продукт АС
и също ще се образува В.

Нека покажем, че връзката

между А и С сега се е образувала.

Вдлъбнатината тук, между двете изпъкналости,

представлява енергийното ниво
на междинния продукт.

Също трябва да е наличен...

Можем да запишем В тук.

И пак ще имаме наличен D.

D още не е реагирал.

Ще начертаем и D.

След това сме готови за втората изпъкналост

или втората стъпка от механизма ни.

Във втората стъпка междинният
продукт АС реагира с D,

за да образува А и CD.

Горната част на втората изпъкналост
е преходното състояние

за втората стъпка.

Можем да покажем, че връзката
между А и С се разкъсва

и в същото време се образува
връзката между С и D.

Разликата в енергията между енергията

на междинния продукт и енергията
на преходното състояние

представлява активиращата енергия

за втората стъпка на механизма,

която ще наречем Еа2.

АС и D трябва да се сблъскат
с достатъчно кинетична енергия,

че да надвишат прага на активиращата
енергия за тази втора стъпка.

Ако АС и D се сблъскат
с достатъчно кинетична енергия,

ще произведем А и CD.

Тази част от кривата тук в края
съответства на енергийното ниво

на продуктите от реакцията.

CD е един от продуктите,
така че ще го запиша тук.

И, спомни си, В е
другият продукт,

които се образува в първата
стъпка на механизма.

Нека поставим тук В + CD.

И също преобразувахме катализатора си,

така че и А ще е налично тук.

Сега да сравним
първата активираща енергия Еа1

с втората активираща енергия Еа2.

Като гледаме енергийния профил,
можем да видим, че Еа1

е много по-голяма активираща енергия от Еа2.

Нека запишем, че Еа1 е по-голяма от Еа2.

Колкото по-малка е активиращата енергия,
толкова по-бърза е реакцията

и тъй като активиращата енергия
във втората стъпка е по-ниска,

втората стъпка трябва да е
по-бързата от двете.

Тъй като при първата стъпка има
по-висока активираща енергия,

първата стъпка трябва да е по-бавна
в сравнение с втората стъпка.

Тъй като първата стъпка на механизма
е бавната стъпка,

първата стъпка е
скоростоопределящият етап.

Накрая, нека намерим
цялостната промяна в енергията

за реакцията ни.

Цялостната промяна
на енергията е делта Е,

което е крайната енергия минус
началната енергия.

Тоест това ще е енергията на продуктите

минус енергията на реактантите.

Енергийното ниво на продуктите е тук,

а енергийното ниво на реактантите

е в началото.

Ще продължа тази пунктирана линия тук,

за да можем по-добре да сравним двете.

Виждаме колко е делта Е на графиката,

което е разликата в енергията

между тези две прави.

И тъй като енергията на продуктите

е по-голяма от енергията на реактантите

ще изваждаме по-малко число

от по-голямо число

и следователно делта Е ще е положителна

за тази хипотетична реакция.

И тъй като делта Е е положителна,

това означава, че тази реакция е
ендотермична реакция.