Узнать стоимость написания работы
Оставьте заявку, и в течение 5 минут на почту вам станут поступать предложения!
Реферат

Реферат по предмету "Химия"


Дискриминация гипотез по кинетическим экспериментам

Дискриминация гипотез по кинетическим экспериментам
Кинетические методы используют для проверкиадекватности гипотез, оставшихся после других методов дискриминации, решаяобратную задачу химической кинетики – оценивание констант и сравнениеполученных кинетических моделей статистическими методами. Вместе с тем, весьмаэффективными путями использования кинетического эксперимента, как было отмеченовыше, являются измерения кинетических изотопных эффектов (КИЭ) и анализселективности стехиометрически многозначных процессов в зависимости отконцентраций реагентов и от величины степени превращения XA.
Кинетические изотопные эффекты
Первичным кинетическим изотопным эффектомназывают различие в скоростях разрыва (образования) химических связей призамене одного из атомов рвущейся (образующейся) связи его изотопом.
В основе первичного КИЭ при разрыве или образованиисвязи, например, С-Н, лежит различие величин нулевой энергии колебательногоуровня этой связи, зависящей от природы изотопов, например, С (12С, 13С, 14С)или Н (1Н, 2D, 3T). Так, нулевая энергия связи U0 C-H ~ на 5 кДж/моль выше U0для С-D. Поскольку соответствующие частоты колебаний в переходном состоянии взначительно меньшей степени зависят от массы изотопа (при наличии другихтяжелых атомов и групп в реагентах), энергия активации в случае более легкогоизотопа (С-Н) будет также ниже энергии активации для С-D и С-Т. МаксимальныеКИЭ разрыва связи без учета образования новых связей составляют:

/>        />
Поскольку в переходном состоянии связь рвется неполностью, максимальные значения КИЭ не достигаются. Величина КИЭ будет тембольше, чем в большей степени связи C-X, M-X, M-H разрываются в переходномсостоянии.
Из теоретического анализа простой реакциипереноса протона
/>
в апротонных растворителях сделаны следующиевыводы:
1)      Основной вклад в КИЭ по водороду вноситпотеря энергии валентного колебания связи А–Н при образовании переходногосостояния. Частоты валентных колебаний в переходном состоянии ниже, чем вначальном и в меньшей степени зависят от массы изотопа.
2)      Величина КИЭ определяется главным образомразностью энергий активации, а не отношением предэкспонентов.
3)      Значения КИЭ обычно меньше, чем этоследует из значений нулевых частот колебаний связей А–Н и A–D.
4)      При использовании трех изотопов 1H, 2D и3Т выполняется соотношение
/>
Если связь в реагенте рвется в лимитирующейстадии, можно ожидать при замене, например H на D, значительного КИЭ. Так, вреакции

/>
КИЭ />. Это означает, что именно связьC-D рвется в лимитирующей стадии. В квазиравновесных стадиях наблюдаютсяравновесные (термодинамические) изотопные эффекты (ТИЭ).
Пример. При исследовании реакции окисленияэтилена хлоридом Pd(II) (Вакер-процесс) было обнаружено, что в реакциях
/>
/>
/> и все четыре атома D переходят вацетальдегид. Следовательно, С-Н связь не рвется в лимитирующей стадии. Вместес тем, при замене H на D в воде />. Этот эффект, судя по кинетикепроцесса есть ТИЭ, появление которого связано с разницей констант автопротолизаKw D2O и H2O (Kw H2O в 5.13 раз выше Kw D2O), и, соответственно, константкислотной диссоциации аквакомплексов палладия(II).
Пример. При изучении кинетики реакцийокислительного карбонилирования ацетилена в растворах комплексов Pd(I) собразованием ангидридов малеиновой (МА) и янтарной (ЯА) кислот, акриловой (АК)и пропионовой (ПК) кислот установлено, что МА и ЯА образуются с КИЭ ~ 1.
/>
Этот факт свидетельствует о том, что вобразовании МА молекула H2O разрывается за необратимой медленной стадией. ЯАобразуется из МА с переносом атома водорода от PdH, но также за медленнойстадией. КИЭ образования АК и ПК составляют 1.8 и 2.5, соответственно, чтоговорит о разрыве Pd-H (и образовании С-Н) в медленной стадии. Образование МА иЯА сопровождается сильным обменом С-Н/C-D, что дает дополнительную информацию омеханизме процесса.
Пример. При изучении механизма реакции
/>
предложили 41 гипотезу о механизме реакции. Наосновании измерения КИЭ при переходе от CH3OH к CH3OD были отброшены 32гипотезы (/>).Еще четыре гипотезы были отклонены на основании предварительных экспериментов.Оставшиеся пять гипотез являются работающими гипотезами до настоящего времени.
Анализ селективности процесса
Селективность процесса характеризует долюисходного ключевого реагента, превратившегося в целевой продукт, от общегоколичества ключевого реагента, превратившегося по всем маршрутам.
Интегральная селективность процесса образованиявещества i по ключевому реагенту k
/>,  (1)
Поскольку />, получим
/>,   (2)
где Xk – степень конверсии k-того реагента.
Дифференциальная селективность sik определяетсяуравнением (3)
/>,   (3)
где Rj – скорость реакции j, bij – стехиометрическиекоэффициенты i-того продукта в j-той реакции, bkj – тоже для k-тогоисходного реагента в j-той реакции. Величина sik > 0, так как bkj
Анализ изменений селективности от концентрацийреагентов (или от степени превращения Xk) полезен для предварительнойдискриминации гипотез.
Пример. Рассмотрим две параллельные реакции искорости R1 и R2 по итоговым уравнениям двух маршрутов в проточном реактореполного смешения:
/>
/>
Рассмотрим селективность расходования реагента Апо первой реакции
/>         (4)

(/>,/>,/>).
/>   (5)
Если реакции имеют простую кинетику, например, /> и />,
/>     (6)
Поскольку />, то из уравнения (6) следует, чтоsААбудет не зависеть от XA при n2 = n1, расти с увеличением XA при n2 > n1 ипадать с ростом XA при n2
Как видно из уравнений (5) и (6) при анализезависимостей sik от Ck (XA) мы имеем дело с изменением отношения скоростейреакций (или сумм отношений скоростей в более сложных случаях). Отношенияскоростей в многомаршрутных процессах с линейными механизмами в стационарных иквазистационарных условиях всегда существенно проще, чем выражения для Rp,поскольку многочленные полиномы, стоящие в знаменателе кинетических уравнений (/>) при этомсокращаются. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Анализ узлов сопряжения
Все интермедиаты в реакционной сети, которыепревращаются по двум и более стадиям, не считая обратной стадии образованияинтермедиата, образуют так называемые узлы сопряжения. Простейший узел – параллельно-последовательнаяреакция
/>                            />
Более сложный узел включает дополнительныеинтермедиаты:
/>
Во всех случаях отношение R1/R2 намного болееинформативно для целей дискриминации, чем сами скорости R1 и R2.
Рассмотрим узел сопряжения (7)
/>,        (7)
где wj – веса стадий j.
В стационарных условиях
/>
/>

/>
/>(8)
В уравнение (8) входит скорость образования X1,отношение весов /> при постоянных концентрациях,входящих в /> ипеременная сумма />, которая меняется в зависимостиот /> и />. Выполнимостьуравнения (8)
/>
может служить подтверждением схемы (7) ипозволяет найти /> и />.
Другой вариант анализа схемы (7):
/>        (9)
Поскольку />   />. Тогда
/>, откуда
/> или  (10)
/>(11)
(при сохранении концентраций, входящих в /> и /> постоянными).
Пример. Изучали реакцию
/>    (12)
в системе CuCl (3 – 9/>) – NH4Cl – HCl – H2O в условияхвысокого катионного фона ([NH4+] = 12/>) в безградиентом проточномреакторе при поддержании постоянными активностей Cu+ и Cl– и концентрацийкаталитически активных комплексов CumCln(n – m)–. При добавлении в этот растворCuCl2 (5·10–3 – 170·10–3 М) скорость образования винилхлорида RВХ понижается, ипоявляются два продукта окислительного хлорирования ацетилена –1,2-дихлорэтилен (ДХЭ) и винилиденхлорид (ВДХ):
/>     (13)
/>,      (14)
скорости образования которых RДХЭ и RВДХ проходятчерез максимум по мере увеличения [CuCl2]. При малых [CuCl2] наблюдается слабыйрост ВХ от [CuCl2]. Для создания стационарного режима по [CuCl2] концентрациюCu(II) поддерживали постоянной, окисляя Cu(I) электрохимически в ходе реакции.Скорость синтеза ВХ до добавления CuCl2 описывается простым уравнением
/>  (15)
в соответствии со схемой механизма
/>    (16)
Падение RВХ при добавлении CuCl2 говорит овзаимной связи процессов (12), (13) и (14) и о наличии узла сопряжения.
Первая гипотеза о простом узле сопряжения стадийобразования ВХ и ДХЭ позволяет рассмотреть отношение RДХЭ и RВХ.
/>
Зависимость отношения RДХЭ/RВХ от [CuCl2] припостоянных остальных параметрах системы описывается уравнением (16)
/>. (16)
Второй вариант узла сопряжения связывает ВДХ иВХ.
/>
Отношение RВДХ/RВХ = f [CuCl2] описывается болеесложной зависимостью, простейший вид которой подчиняется уравнению (17)
/>.     (17)
Квадрат по концентрации CuCl2 в числителеуравнений (16) и (17) свидетельствует о последовательном участии двух молекулCuCl2 в стадиях окисления Х1 до ДХЭ и ВДХ
/>         (18)
При этом стадия образования Х2 квазиравновесна(16), а стадия образования Х3 – нет (17). Чтобы найти выражение для RВХ, RДХЭ иRВДХ не хватает еще одного уравнения. Воспользуемся зависимостью (11).Эксперимент показал, что выполняется линейное соотношение (11) в формеуравнения (19) при варьировании [CuCl2]
/>        (19)
Решение системы (16), (17) и (19) дает уравнения(при [H3O+] = const)
/>       (20)
/>    (21)
/>   (22)
/>         (23)

Уравнения (20 – 23) описывают экспериментальныезависимости Rp = f([CuCl2]) и соотношение скоростей Rp.
Исследования различных модельных реакций иотклонение других гипотез образования ВДХ, например, через ClCºCH
/>
позволило предложить механизм с участием s-металлоорганическихсоединений Cu(I) и Cu(II)
/>
Образование X12 квазиравновесно.Предположительно, X12 – комплекс [CuIICl2·CuICH=CHCl « ClCuI·ClCuIICH=CHCl].Реакция X12 c CuCl2 дает CuIICl2·ClIICuCH=CHCl, быстро распадающийся доClCH=CHCl и 3CuCl. Превращение X12 « X13 с последующимдействием второй молекулы CuCl2 приводит к ВДХ. Например, образование h2-винильного комплекса изX12 с последующим превращением его в карбеновый комплекс, распадающийся до CuIи CH2=CCl2
/>
Рассмотренный пример показывает, насколькополезно создание искусственных разветвлений, искусственных узлов сопряжения приизучении каталитических реакций, например, реакции (12). Введение CuCl2позволило получить дополнительную информацию о природе Х1.
На завершающем этапе выбора модели решаетсяобратная задача химической кинетики.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.