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2.9:

다단계 반응

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Organic Chemistry
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Multi-Step Reactions

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화학 반응은 종종 반응물질과 제품을 나타내는 전반적인 균형 잡힌 화학 방정식으로 표현됩니다. 그러나 실제 반응은 종종 더 복잡하고 여러 단계에서 발생합니다. 예를 들어, 질소 가스와 물을 형성하는 수소와 산화 질소의 이 반응은 세 가지 뚜렷한 연속적인 단계로 일어납니다. 이러한 단계는 반응 메커니즘이라고 합니다. 반응 메커니즘의 각 단계는 초등반응이라고 하며 반응종 간의 결합 파손 또는 형성과 같은 상호작용을 나타낸다. 이산화질소와 아산화질소와 같은 특정 분자는 한 가지 기본 단계에서 형성되어 다른 단계에서 소비됩니다. 이러한 종은 반응 중간제라고합니다. 반응 중간체는 제품에 대한 반응제를 변환하는 동안만 존재하는 전환 상태와 동일하지 않습니다. 반응 메커니즘은 균형 잡힌 화학 방정식에 기초하여 가설, 각 초등학교 단계의 실험적으로 결정 된 속도 법칙. 각 단계마다 특정 반응 속도, 속도 상수 및 활성화 에너지가 있습니다. 가장 느린 단계는 속도 결정 단계라고하며 순 반응 속도에 영향을 미칩니다. 전체 반응에 대한 요율법을 확인하고 제안된 반응 메커니즘을 검증하는 데 사용할 수 있다. 질소와 산소에 아산화 질소의 분해를 고려하십시오. 실험적으로 결정된 속도법은 산소 원자의 관찰된 존재(반응 중간)에 의해 확증되는 단단계 반응의 속도 발현에 해당하지 않는다. 따라서, 모든 단계가 전체적인 반응을 주기 위하여 구체화되는 반응 기계장치가 제안됩니다. 첫째, 속도 상수는 첫 번째 단계가 속도 제한 단계임을 나타냅니다. 그것은 가장 느리고, 따라서 전반적인 반응 비율에 영향을 미칩니다. 이 단계에서 제안 된 요금법은 전체 요금법과 동일하게 설정할 수 있습니다. 이 제안된 비율법은, 초등학교 반응제의 분자 농도에서 직접 파생되고, 실험속도법과 일치하고 예측된 반응 기전을 확인한다. 이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 12.6 : 반응 메커니즘에서 적응된다.

2.9:

다단계 반응

화학 반응은 종종 서열에서 일어나는 두 개 이상의 뚜렷한 반응을 포함하는 단계적 방식으로 발생합니다. 균형 잡힌 방정식은 반응종과 제품 종을 나타내지만 분자 수준에서 반응이 어떻게 발생하는지에 대한 자세한 내용은 드러나지 않습니다. 반응 메커니즘(또는 반응 경로)은 반응이 발생하는 정밀하고 단계별 프로세스에 관한 세부 정보를 제공한다. 반응 메커니즘의 각 단계는 기본 반응이라고합니다. 이러한 기본 반응은 단계 방정식에 나타난 바와 같이 순차적으로 발생하며, 전체 적인 반응을 설명하는 균형 잡힌 화학 방정식을 산출합니다. 다단계 반응 메커니즘에서 기본 단계 중 하나가 다른 단계보다 느리게 진행됩니다. 이 가장 느린 단계는 속도 제한 단계(또는 속도 결정 단계)라고 합니다. 반응은 가장 느린 단계보다 빠르게 진행될 수 없으므로 속도 결정 단계는 전체 반응 속도를 제한합니다.

전반적인 반응을 나타내는 균형 잡힌 방정식과 달리, 기본 반응에 대한 방정식은 화학 적 변화의 명시적 표현이다. 기본 반응 방정식은 결합 파괴 / 제작을 겪고 있는 실제 반응제와 형성된 제품을 묘사합니다. 요율법은 초등학교 반응에 대한 균형 잡힌 화학 방정식에서 직접 파생될 수 있다. 그러나, 이것은 대부분의 화학 반응에 대 한 경우, 어디 균형 잡힌 방정식 종종 다단계 반응 메커니즘에서 발생 하는 화학 시스템의 전반적인 변화를 나타냅니다. 따라서, 속도법은 실험데이터로부터 결정되어야 하며, 반응메커니즘은 이후에 금리법에서 추론되어야 한다.

예를 들어 NO2 및 CO의 반응을 고려하십시오.

Figure1

225 °C 이상의 온도에서이 반응에 대한 실험 속도 법은 다음과 같이 합니다.

Figure2

요금법에 따르면, CO에 대하여 NO2 및 1차 순위에 대하여 반응은 1차입니다. 그러나, 225°C 이하의온도에서, 반응은 NO2에대하여 2차인 다른 비율법에 의해 기술됩니다:

Figure3

이 속도 법은 단일 단계 메커니즘과 일치하지 않지만 다음 2 단계 메커니즘과 일치합니다.

Figure4

Figure5

금리 결정(느린) 단계는 NO2 농도에 대한 2차 의존성을 나타내는 속도법을 부여하고, 두 개의 기본 방정식의 합은 순 전체적인 반응을 제공합니다.

일반적으로, 속도 결정(느린) 단계가 반응 메커니즘의 첫 번째 단계일 때, 전반적인 반응에 대한 속도법은 이 단계의 요율법과 동일하다. 그러나, 속도 결정 단계가 급속하게 가역적인 반응을 수반하는 초등학교 단계에 선행될 때, 전반적인 반응에 대한 비율법은 반응 중간자의 존재때문에 도출하기 어려울 수 있다.

이러한 경우, 전방 및 역공정의 비율이 같을 때 가역반응이 평형화된다는 개념을 활용할 수 있다.