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

Нека помислим за реакция

със следния многоетапен механизъм.

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

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

Ако събера двете стъпки на механизма ни в едно,

можем да намерим балансираното уравнение

за тази хипотетична реакция.

Ще поставим всички реактанти

в лявата страна и ще имаме

всички продукти вдясно.

И можем да видим, че АС е вляво

и също и вдясно, така че можем да го съкратим.

А също е вляво и вдясно,

така че можем да съкратим това.

Така че цялостното уравнение ще е ВС + D

преминава към В + CD.

Видахме, че ВС и D са реактантите,

а В и CD са продуктите

от тази хипотетична реакция.

Ако разгледаме механизма, А е тук в началото

и А е 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 е изразходвано във втория етап на механизма.

Следователно, АС трябва да е междинното съединение за тази реакция.

След това да разгледаме енергийния профил

за тази многоетапна рекация.

Енергийните профили обикновено имат потенциална енергия на оста у

и прогреса 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 два хълма.

Първият хълм съответства на първата стъпка от механизма,

а вторият хълм

съответства на втората стъпка.

Върхът на първия хълм е преходното състояние

за първата стъпка на механизма.

И можем да видим в първата стъпка, че катализатор А

се сблъсква с ВС, или реагира с ВС,

за да образува междинното съединение АС.

Тоест А трябва да се сблъска с ВС и при преходното състояяние

връзката между В и С се разкъсва

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

Пак ще имаме наличен реактанта D

в този хълм.

Ще начертая D тук.

Когато се сблъска с ВС, сблъсъкът трябва да има

достатъчно кинетична енергия, че да преодолее активационната енергия,

която е необходима за протичане на реакцията.

И на този енергиен профил

активационната енергия е разликата в енергията

между реактантите и преходното състояние,

тоест самият връх на хълма.

Тази разлика в енергия

съответства на активационната енергия

за първата стъпка на механизма, която ще наречем Еа1.

Ако приемем, че сблъсъкът има достатъчно енергия,

за да преодолее активационната енергия

ще образуваме междинния продукт АС и също ще образуваме В.

Нека покажем, че връзката

между А и С сега се е образувала.

Долината тук, между двата ни хълма,

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 втория хълм

или втората стъпка от механизма ни.

Във втората стъпка АС, междинният продукт, реагира с D,

за да образува А и CD.

Горната част на втория хълм ще е преходното състояние

за втората стъпка.

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

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

Разликата в енергията между енергията

на междинния продукт и енергията на преходното състояние

представлява активационната енергия

за втората стъпка на механизма,

която ще наречем Еа2.

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

че да преодолеят активационната енергия за тази втора стъпка.

Ако АС и D се сблъскат с достатъчно кинетична енергия

ще произведем А и CD.

Тази линия тук в края представлява енергийното ниво

на продуктите ни.

CD е един от продуктите, така че ще запишем това тук.

И, помни, В е от продуктите,

които образувахме в първата стъпка на механизма.

Нека поставим тук В + CD.

И също преобразувахме катализатора си,

така че и А ще е налично тук.

След това нека сравним първата активационна енергия Еа1

с втората активационна енергия Еа2.

Като гледаме енергийния профил, можем да видим, че Еа2

има много по-голяма активационна енергия от Еа2.

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

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

и тъй като има по-малка активационна енергия

за втората стъпка,

втората стъпка трябва да е по-бързата от двете.

Тъй като първата стъпка има по-висока активационна енергия,

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

Тъй като първата стъпка на механизма е бавната стъпка,

първата стъпка е скоростообразуващият етап.

Накрая, нека намерим цялостната промяна в енергията

за реакцията ни.

За да намерим цялостната промяна в енергията, това е делта Е,

което е крайното минус началното.

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.

Нека разширя пунктираната линия тук,

за да можем по-добре да сравним двете.

Като представяме делта Е на графика,

това ще 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

знаем, че тази реакция е ендотермична реакция.