Состав активной среды COIL
4. Кинетика активной среды кислородно-йодного лазера Закон действующих масс Константа скорости реакции Сечение реакции Пусть в смеси газов идет реакция, в результате которой одни компоненты смеси преобразуются в другие. Это может быть как истинно химическая реакция, то есть процесс перестройки структуры химических связей, так и другие процессы преобразования, например – электронный обмен, колебательный или вращательный обмен. Под этим понимаются процессы обмена энергией, приводящие к изменениям в квантовом состоянии атомов и молекул. Эти процессы, также как и истинно химические реакции, происходят при столкновениях, что позволяет формально считать их химическими реакциями и описывать с ними единым образом. В основе описания кинетики любой реакции лежит закон действующих масс [1], согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов. Разберемся в смысле этих понятий. Реакция происходит (с какой-то вероятностью, меньшей единицы) при столкновении молекул (атомов) реагентов. Скорость реакции – это количество актов реакции, происходящее в единице объема среды в единицу времени. Размерность скорости реакции – м3/(моль*с), когда концентрации веществ и количество актов реакции измеряются не в штуках, а в молях на м3. Если реакция имеет вид A+B→C+D, то
Здесь k – константа скорости реакции. Для реакции второго порядка размерность константы должна быть [м3/(моль*с)]. Второй порядок означает, что в реакции принимают участие два реагента, а на микро-уровне акт реакции происходит с некоторой вероятностью, когда происходит столкновение молекул двух реагентов. Порядок реакции может быть произвольным. Для порядка N:
а размерность константы скорости реакции должна быть: [м3(N-1)/(мольN-1*c], тогда в уравнении закона действующих масс размерности правой и левой частей совпадают. Здесь NC – общее количество компонент смеси, включая как реагенты, так и продукты реакции. Наибольшую скорость обычно имеют реакции второго порядка, поскольку столкновение двух частиц значительно более вероятно, чем трех и более. В принципе могут иметь место реакции первого порядка, которые, в отличие от других порядков, вообще не связаны со столкновениями. Если концентрации частиц измерять не в молях на м3, а в частицах на м3, то размерность константы скорости второго порядка – [м3/с]. Для произвольного порядка: [м3(N-1)/c]. Константа скорости реакции k связана с сечением реакции s следующим образом:
где v – средняя тепловая скорость движения молекул. То есть если размерность концентраций – [1/м3], а константы скорости реакции второго порядка - [м3/с], то размерность сечения реакции – [м2], что вполне естественно. Если размерность концентраций – [моль/м3], а константы скорости реакции второго порядка - [м3/(моль*с)], то размерность сечения реакции – [м2/моль]. Это уже не так естественно, но так уж есть. Еще один вариант: когда основная система единиц – СГС, то концентрации измеряются в молекулах на кубический сантиметр ([1/см3]), константы скорости реакций второго порядка – в [см3/с], а сечения реакций – в [см2]. Формулы для пересчета значений константы скорости приведены в таблице 1. В заголовках строк и столбцов – размерности констант скорости реакций второго порядка, в ячейках – множители, на которые нужно умножить константу скорости для пересчета ее из размерности строк в размерность столбцов. Таблица 1. Пересчет констант скорости реакций второго порядка.
Таблица 2. Соответствие размерностей концентраций и констант скорости реакций второго порядка.
|
