反应机理

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反应机理,在化学反应即化学物质转化为其他物质的详细过程。反应本身可能涉及原子,分子,离子,电子和自由基,它们可能发生在气体,液体,或固体或者在接口在这些之间。

对反应机理的详细过程的研究很重要,原因有很多,包括它有助于理解和控制化学反应。许多具有重大商业意义的反应可以通过多条反应路径进行;对所涉及的反应机理的了解可以使人们有可能选择有利于一种途径而不是另一种途径的反应条件,从而得到最大数量的所需产物和最小数量的不需要产物。此外,在反应机制的基础上,有时可以发现在其他方面不明显相关的系统之间的相关性。画这种画的能力类比经常使预测未经试验的反应过程成为可能。最后,关于反应机制的详细信息允许统一和理解大量其他不相关的现象,这在理论和实践中是非常重要的化学

一般来说,化学家感兴趣的化学反应的机制是那些发生在溶液中,涉及破坏和重整的化学反应共价键原子间-共价键是指原子间共用电子的键。人们对这些反应的兴趣特别大,因为这些反应是使某些物质象塑料,染料,合成纤维因为生命系统的大多数生化反应都属于这种类型。此外,这类反应通常发生在便于研究的时间尺度上,既不太快也不太慢,并且在易于研究的条件下操纵为了实验目的。有许多技术可以用来研究这种反应的机理。

化学反应涉及分子成键模式的变化,即分子内和分子间原子相对位置的变化,以及将原子以化学键结合在一起的电子的变化。因此,反应机制必须包括对这些运动在空间变化和时间方面的描述。变化的总体路线称为反应过程,发生变化的详细过程称为反应路径或途径。

对研究反应机理同样重要的是反应的能量需求。大多数机械反应都是被激活的过程,也就是说,这些反应在发生之前必须有能量供应。能量是消耗使反应的起始物质越过能量势垒。这一过程发生在起始材料吸收能量并转化为活化的络合物或过渡态时。然后,活化的复合物在没有进一步输入能量的情况下继续提供反应的产物——实际上,通常是释放能量。这样的考虑对于理解反应机理是很重要的,因为任何反应所遵循的实际过程都是需要最少活化能的过程。这个反应过程对于没有详细研究不同可能机理的化学家来说并不总是最简单的。

反应机理的研究由于大多数反应的可逆性(反应产物倾向于发生化学反应)而变得复杂回复到起始物质)和竞争反应的存在(将起始物质转化为所需产物以外的物质的反应)。另一个复杂因素是许多反应是分阶段进行的,中间产物(中间体)形成,然后经过进一步反应转化为最终产物。在研究化学反应时,考虑几个一般问题是有用的:(1)影响化学反应过程的因素,(2)典型反应过程中所涉及的能量变化,(3)揭示反应机理的因素,以及(4)反应机理的分类。有了这些信息,就有可能简单地看看一些更重要的反应机制类别。(文章酸碱反应,氧化还原反应,电化学反应处理本文未描述的反应机制。)

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一般考虑

反应过程的决定因素

反应物

在分析反应机理时,必须考虑到影响反应过程的所有因素。在散装化学品之后成分通过结构测定和分析的普通方法确定后,任何涉及反应物的反应前变化,无论是单独的还是一起的,都必须进行研究。这样,在物质乙酸乙酯的裂解过程中水解),即攻击乙酸乙酯的实际试剂分子可能是水分子本身,也可能是氢氧化离子(OH -)由它产生。

乙酸乙酯的水解可表示为:化学方程式。其中分子的结构用结构式来表示。用箭头表示反应,左边是反应物的反应式,右边是生成物的反应式。在结构公式中原子元素的化学符号(C代表, H代表, O代表氧气),而特定组别的原子编号则以数字下标表示。最重要的化学键是用键所连接的原子符号之间的短线表示的。

对这个反应很重要的是平衡将水分子裂解成带正电和负电的粒子(离子),具体如下:化学方程式。

在这个方程中,水分子符号前的数字表示参与反应的分子数。复合箭头表示反应可以向任何一个方向进行,起始物质转化为产物,反之亦然。在实践中,这两个反应同时发生,并建立了起始物质和产物的平衡。这种平衡对乙酸乙酯水解的意义在于三种平衡中的任何一种实体(水分子,水合氢离子,或氢氧化离子)可能参与了反应,在确定它们中哪一个是实际的参与者之前,其机制尚不清楚。如果有可能确定反应介质中这三种物质的相对量,并且可以证明反应速率取决于其中一种物质的量(或浓度),这通常是可以成立的。在一定条件下,乙酸乙酯水解过程中有水分子参与(如上式所示);在其他情况下,氢氧根离子也参与其中。