链反应

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链反应 链反应

 

 

链反应 正文

 
  反应物分子依靠在反应过程中交替和重复产生的活性中间体(自由基或自由原子)而转变为产物分子的一类重要化学反应。例如反应H2+Cl2─→2HCl,开始用光引发,产生氯原子:

Cl2+hv─→2Cl

随之发生以下反应:

Cl+H2─→H+HCl
H+Cl2─→Cl+HCl

后续反应所需的氯原子主要依靠反应自身产生,即使作为外因的光撤除后,反应仍能持续进行,直至作为活性组分的Cl和H消亡为止。上述反应可图解如下:

链反应

反应本身除生成产物HCl外,还再生Cl,如此循环,犹如一个个链节,持续不断,链反应即由此得名。反应中的活性组分──自由基或自由原子──称为链载体。
  分类  直链反应  在链反应中,活性组分自由基不断再生,自由价保持不变,例如以下反应:

Cl·+H2─→HCl+H·

H·+Cl2─→HCl+Cl·

反应中单自由价的氯原子(或氢原子)产生单自由价的氢原子(或氯原子)。
  支链反应  在链反应中,当一个单自由价的链载体和分子反应时,能产生多于一个的新自由基,为支链反应,例如下列反应:

H+O2─→HO+O

O+H2─→OH+H

再加上其他链传递过程:OH+H2─→H2O+H,就可将H-O2反应图解如下:

链反应

不难看出,上述反应中,与核反应中一个中子能产生三个新中子一样,一个H产生三个新的H,依次类推。因此,在某些条件下,该反应的速率可变为无限大,因而可以发生爆炸。
  退化支链反应  在链的支化过程中生成了比链载体更为稳定的活泼分子(如有机过氧化物),而这种活泼性分子又能分解出多于一个的支链载体,使支化过程得以进行。但这种分子分解产生链载体的过程,比链载体所进行的反应要缓慢得多。这就是退化支链反应。某些有机物的液相氧化反应属于此类反应。
  机理  直链反应机理  可分为:
  ①链引发,是依靠热、光或电的作用,在反应体系中产生第一个作为链载体的自由基的反应,一般为稳定分子分解为自由基的反应:

链反应

M为第三体。引发是链反应的开始,是最困难的步骤。
  ②链的持续反应,是链载体自由基的再生反应,即旧链载体的消失和新链载体的产生同时进行的反应,一般是自由基与饱和分子间的反应,例如:

CH3+C2H6─→CH4+C2H5

C2H5─→C2H4+H

由于在直链反应的持续反应中自由价守恒,导致链反应的持续进行。
  ③链的终止反应,是链载体的消亡过程,例如:

Cl+Cl+M─→Cl2+M

对生成的简单分子来说,反应所释放的能量须传给第三种物体M,产物分子才能稳定。终止反应既可在体相发生,也可在表面上发生,后者往往在体系压力较低、分子运动的平均自由程与容器的线度相当时占优势,例如以下反应:

链反应

  链引发反应中生成链载体后,直到终止反应发生前,链持续反应发生的循环次数称为链长。由于在直链反应中,根据稳态近似原则,链的引发反应速率等于链终止反应速率,故就单个起始链载体而言,链长越长,在相同时间里消耗的反应物或生成的产物就越多,反应也就越快。因此,链长与反应速率具有等价的意义。显然,就单个起始链载体而言,链长是极不相同的。因此,只有平均链长才有实际意义。平均链长 岧的定义为产物生成速率r与引发反应速率r0之比:

链反应

对于光化学引发的直链反应来说,平均链长即量子产率。
  在链反应体系中加入某一组分(阻化剂)后,引起反应的减慢,称为阻化作用。一般,在链反应中痕量的阻化剂就能引起反应速率的显著降低,阻化作用是揭示链反应机理的一种常用手段。一般用作阻化剂的是一氧化氮、丙烯和甲苯等。
  有机物链式裂解反应机理  对于气态有机物(如烃、酮、醛、醇、醚等)的热分解反应,F.O.赖斯和K.F.赫茨菲尔德提出以下的普遍的链式机理:
  链的引发
M1─→R1+M2

  链的传递
R1+M1─→R1H+R2

R2─→R1+M3

  链的终止
R1+R2─→M4

2R1─→M5

2R2─→M6

式中R代表自由基,M1、M2、…M6代表不同的稳定组分。终止反应在不同条件下总是以其中一个为主,并可推导出不同的速率方程。将实验所得的速率方程与它对照,即可判断出何种机理更为可能。以乙醛热分解为例,按赖斯和赫茨菲尔德提出的机理,可列出以下反应:

链反应   (1)

链反应   (2)

链反应   (3)

链反应   (4)

链反应   (5)

根据反应(1)、(2)、(3)、(4)可得出速率方程:

rk2(k1/k4)1/2【CH3CHO】3/2

根据反应(1)、(2)、(3)、(5)可得出速率方程:

rk2(k1/k5)1/2【CH3CHO】1/2

式中k1k2k3k4k5反应速率常数。若实验测得不同条件下反应速率与乙醛浓度、反应级数的关系,则不难判断在该条件下乙醛热分解的反应机理。
  链式加成聚合反应机理  高分子化合物是由多个单体连接而成的,其加成聚合反应中有一类是自由基无支化的链式反应,例如乙烯类单体M的加成聚合,通过加入能产生自由基R的引发剂I,引发以下链式聚合反应:
  引发
I─→2R

  持续
R+M─→RM

RM+M─→RM2

………………

  终止
RMi+RMj─→R2M(i+j)

  这类反应的研究对开创高分子时代曾产生过巨大的影响。

 

链反应 配图

 

 

链反应 相关连接

 

附图

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