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2.9 : 多段階反応

化学反応は多くの場合、2 つ以上の異なる反応が連続して起こる段階的な形で起こります。 平衡のとれた方程式は、反応物と生成物を表しますが、反応が分子レベルでどのように起こるかについての詳細は明らかにしません。 反応機構 (または反応経路) は、反応が起こる正確な段階的なプロセスに関する詳細を提供します。 反応機構の各段階を素反応といいます。 これらの基本反応は、ステップ方程式で表されるように順番に発生し、それらを合計すると、全体の反応を説明するバランスの取れた化学方程式が得られます。 多段階の反応メカニズムでは、基本段階の 1 つが他の段階よりも遅く進行し、場合によっては大幅に遅くなります。 この最も遅いステップは、律速ステップ (または律速ステップ) と呼ばれます。 反応は最も遅いステップよりも速く進行することはできないため、律速ステップが全体の反応速度を制限します。

全体的な反応を表す平衡方程式とは異なり、素反応の方程式は化学変化を明示的に表します。 基本反応方程式は、結合の切断/生成が起こる実際の反応物と形成される生成物を示します。 速度法則は、素反応の平衡化学方程式から直接導き出すことができます。 ただし、これはほとんどの化学反応には当てはまりません。多くの場合、バランスの取れた方程式は、多段階の反応メカニズムから生じる化学系の全体的な変化を表します。 したがって、速度則は実験データから決定する必要があり、その後反応機構は速度則から推定する必要があります。

たとえば、NO_2 と CO の反応を考えてみましょう。

Figure1

225 °C 以上の温度でのこの反応の実験速度則は次のとおりです。

Figure2

速度則によれば、反応は NO_2 に関しては 1 次であり、CO に関しては 1 次です。ただし、225 °C 未満の温度では、反応は NO2 に関しては 2 次である別の速度則で記述されます。 NO_2へ:

Figure3

このレートの法則は、単一ステップのメカニズムとは一致しませんが、次の 2 ステップのメカニズムとは一致します。

Figure4

Figure5

速度決定 (遅い) ステップでは、NO_2 濃度への 2 次依存性を示す速度則が得られ、2 つの基本方程式の合計が正味の全体的な反応を与えます。

一般に、律速を決定する (遅い) ステップが反応機構の最初のステップである場合、反応全体の速度則はこのステップの速度則と同じになります。 ただし、速度決定ステップの前に急速に可逆的な反応を伴う基本ステップがある場合、多くの場合、反応中間体の存在により、反応全体の速度則を導き出すことがより困難になる可能性があります。

このような場合には、順方向プロセスと逆方向プロセスの速度が等しいときに可逆反応が平衡にあるという概念を利用できます。

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Multi step ReactionsChemical ReactionsReaction MechanismElementary ReactionBalanced EquationRate limiting StepRate determining StepOverall Reaction RateExplicit RepresentationBond breaking makingProduct FormationRate Laws

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