化学反应的瞬时反应速率的物理意义和几何意义是什么? 反应速率的物理意义是什么?它与哪些因素有关?

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瞬时反应速率
瞬时反应速率,其大小也与指定时间以及时间间隔有关。随着反应的进行,开始时反应物的浓度较大,单位时间内反应的进行,开始时反应物的浓度较大,单位时间反应浓度减小得较快,反应产物浓度增加也较快,也就是反应较快;在反应后期,反应物的浓度变小,单位时间内反应物减小得较慢,反应产物浓度增加也较慢,也就是反应速率较慢。
在实际工作中,通常测量反应的瞬时反应速率,是c(t)-t曲线某时刻t时该曲线的斜率即为该反应在时刻t时的反应速率。

影响因素
影响化学反应速率的因素分为内外因:
1、内因:反应物本身的性质。
2、外界因素:温度,浓度,压强,催化剂,光,激光,反应物颗粒大小,反应物之间的接触面积和反应物状态。另外,x射线,γ射线,固体物质的表面积与反应物的接触面积,反应物的浓度也会影响化学反应速率。
一、内因
化学键的强弱与化学反应速率的关系。例如:在相同条件下,氟气与氢气在暗处就能发生爆炸(反应速率非常大);氯气与氢气在光照条件下会发生爆炸(反应速率大);溴气与氢气在加热条件下才能反应(反应速率较大);碘蒸气与氢气在较高温度时才能发生反应,同时生成的碘化氢又分解(反应速率较小)。这与反应物X—X键及生成物H—X键的相对强度大小密切相关。
二、外因
1.压强条件
对于有气体参与的化学反应,其他条件不变时(除体积),增大压强,即体积减小,反应物浓度增大,单位体积内活化分子数增多,单位时间内有效碰撞次数增多,反应速率加快;反之则减小。若体积不变,加压(加入不参加此化学反应的气体)反应速率就不变。因为浓度不变,单位体积内活化分子数就不变。但在体积不变的情况下,加入反应物,同样是加压,增加反应物浓度,速率也会增加。若体积可变,恒压(加入不参加此化学反应的气体)反应速率就减小。因为体积增大,反应物的物质的量不变,反应物的浓度减小,单位体积内活化分子数就减小。
2.温度条件
只要升高温度,反应物分子获得能量,使一部分原来能量较低分子变成活化分子,增加了活化分子的百分数,使得有效碰撞次数增多,故反应速率加大(主要原因)。当然,由于温度升高,使分子运动速率加快,单位时间内反应物分子碰撞次数增多反应也会相应加快(次要原因)。
3.催化剂
使用正催化剂能够降低反应所需的能量,使更多的反应物分子成为活化分子,大大提高了单位体积内反应物分子的百分数,从而成千上万倍地增大了反应物速率.负催化剂则反之。催化剂只能改变化学反应速率,却改不了化学反应平衡。
4.条件浓度
当其它条件一致下,增加反应物浓度就增加了单位体积的活化分子的数目,从而增加有效碰撞,反应速率增加,但活化分子百分数是不变的。化学反应的过程,就是反应物分子中的原子,重新组合成生成物分子的过程。反应物分子中的原子,要想重新组合成生成物的分子,必须先获得自由,即:反应物分子中的化学键必须断裂。化学键的断裂是通过分子(或离子)间的相互碰撞来实现的,并非每次碰撞都能是化学键断裂,即并非每次碰撞都能发生化学反应,能够发生化学反应的碰撞是很少的。
活化分子比普通分子具有更高的能量,才有可能撞断化学键,发生化学反应。当然,活化分子的碰撞,只是有可能发生化学反应。而并不是一定发生化学反应,还必须有合适的取向。在其它条件不变时,对某一反应来说,活化分子在反应物中所占的百分数是一定的,即单位体积内活化分子的数目和单位体积内反应物分子的总数成正比,即活化分子的数目和反应物的浓度成正比。
因此,增大反应物的浓度,可以增大活化分子的数目,可以增加有效碰撞次数,则增大反应物浓度,可以使化学反应的速率增大。
(注:有效碰撞:能够发生化学反应的碰撞,叫有效碰撞;活化分子:能够发生有效碰撞的分子,叫活化分子。)
5.其他因素
增大一定量固体的表面积(如粉碎),可增大反应速率,光照一般也可增大某些反应的速率;此外,超声波、电磁波、溶剂等对反应速率也有影响。

X射线捕获的离子液态水中超快的质子转移反应,该反应形成了羟基自由基和水合氢离子。
质子转移反应是一个具有重要意义的过程,在核工程、空间旅行和环境修复等领域都有广泛的应用,但一般的超快方法基本上无法观测到这个过程。近日,美国能源部阿贡国家实验室领导的国际团队利用超快X射线自由电子激光脉冲捕获了液态水电离后的超快质子转移过程。 相关论文1月10日发表在《科学》杂志上。
“我们在离子液态水中见证了形成羟基自由基的最快的化学反应。”论文通讯作者、阿贡国家实验室的研究员Linda Young说,“羟基自由基相当重要,它可以扩散到有机体中,破坏DNA和RNA等大分子。”通过了解羟基自由基形成的时间尺度,人们可以更深入地理解液态水的辐射分解,并最终制定策略抑制这一可能导致辐射损害的关键步骤。
当能量充足的辐射击中水分子时,会引发一系列瞬时反应。首先,辐射会射出一个电子,留下一个带正电的水分子(H2O+)。H2O+的生命极其短暂,几乎不可能在实验中直接观察到。在万亿分之一秒的时间内,H2O+将一个质子交给另一个水分子,生成水合氢离子和羟基自由基。虽然科学家们早在20世纪60年代就发现了这种反应,但直到最近,通过由直线加速器相干光源(LCLS)提供的超快X射线探测器,研究人员才观察到了剩余的正电荷离子。
SLAC国家加速器实验室的仪器科学家Bill Schlotter说:“捕捉水的关键是LCLS的超短X射线脉冲。通过调整这些X射线脉冲的‘颜色’,我们可以区分参与其中的特定离子和分子。”LCLS提供的“定格”技术让研究人员有机首次观察到羟基自由基的时间演化。
根据Young的说法,虽然研究人员也希望能够分离出H2O+的光谱特征,但它的寿命太短,只能从OH光谱中推断出它的存在。超快的质子转移产生了羟基自由基,从而产生一种特殊的光谱特征,证明羟基自由基的产生,这正是H2O+最开始生成的“时间戳”。Young认为,这两种物质的光谱是可以得到的,因为它们存在于一个“水窗口”中,那里的液态水不吸收光。
德国DESY自由电子激光科学中心的Robin Santra领导了理论研究,他说:通过超快X射线吸收,我们可以探测到电离和质子转移位点附近的结构动力学,包括电子和原子核的运动。在仅仅50万亿分之一秒的时间里,周围的水分子就会迅速移向离子化的H2O+,当距离足够近时,水分子会抓住H2O+的一个质子,变成水合氢离子,并产生羟基自由基。”
Young说:“这项研究的主要成果是建立了一种观察水中质子转移反应的方法,并开发了一种清洁的羟基自由基探针。现在我们不仅测量到了质子转移的时间范围,还在极短时间尺度上跟踪了复杂系统中的羟基自由基。”
虽然研究最快的化学反应本身就很有趣,但了解羟基自由基的形成还有其他实际意义,如核废料处理、环境修复等。
原创编译:花花 审稿:西莫 责编:雷鑫宇
期刊来源: 《科学》
期刊编号: 0036-8075
原文链接:https://phys.org/news/2020-01-scientists-ultrafast-birth-radicals.html
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