动力学(反应机理).

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I概率因子 I碰撞理论的优缺点
速率理论的共同点
与热力学的经典理论相比,动力学理论发展 较迟。先后形成的碰撞理论、过渡态理论都是20 世纪后建立起来的,尚有明显不足之处。
理论的共同点是:首先选定一个微观模型, 用气体分子运动论(碰撞理论)或量子力学(过 渡态理论)的方法,并经过统计平均,导出宏观 动力学中速率系数的计算公式。
2.当[S]<<KM时,r =k2[E]0[S]/KM 对[S]呈一级。
3.当[S]→∞时,r = rm=k2[E]0。
酶催化的反应速率曲线
米氏常数KM
为了纪念Michaelis-Menten对酶催化反应的贡献,
将KM=(k-1+k2)/k1称为米氏常数,
将KM=[E][S]/[ES]称为米氏公式。
酶催化反应
•酶催化反应历程 •用稳态近似法处理 •酶催化反应的级数 •酶催化的反应速率曲线 •米氏常数 •酶催化反应特点
酶:是一种具有催化作用的蛋白质分子. 定义:由酶起催化作用的一类催化反应,称为酶催化反应.
酶的直径范围在10~100nm之间,因此,酶催化作用 既可看作是反应物与酶之间形成中间产物的均相催化; 也可看成是在酶的表面上首先吸附了底物(酶催化中常 将反应物叫做底物),然后再进行反应的多相催化反应.
催化剂的特征
1. 改变了反应的历程,降低了活化能,使反应加速。 2. 在反应前后,其化学性质和数量不变,但物理性质会有变化。 3. 不改变反应的G,不影响化学平衡,不能影响产物的比例,
只能缩短达到平衡所需的时间。催化剂对正逆向反应具 有催催化同化剂样剂不的也能催正实化是现作高热用压力下。学由如上常CO不压+能下H发甲2合生醇成的分甲反解醇应为的。C高O+效H催2化的剂高效。 4. 催化剂有特殊的选择性。普通催化剂都具有一定的选择性; 酶催化剂具有特别高的选择性。 5. 有些反应的速率与催化剂的浓度有关,这与催化剂参与了 反应有关。 6. 加入少量杂质通常会强烈地影响催化剂的作用,甚至成为 催化剂的毒物。
当反应速率达到最大值rm的一半时, KM=[S]。
下面的数学处理可以求出KM和rm
r k2[E0 ][S] KM [S]
rm k2[E0 ]
r [S]
重排得: 1 KM 1 1
rm KM [S]
r rm [S] rm

1 r
~1 [S]
作图,从斜率和截距求出KM和rm
酶催化反应特点
酶催化反应与生命现象有密切关系,它的主 要特点有: 1.高选择性
它的选择性超过了任何人造催化剂,例如脲酶它只 能将尿素迅速转化成氨和二氧化碳,而对其他反应 没有任何活性。
2.高效率
它比人造催化剂的效率高出109至1015 倍。例如 一个过氧化氢分解酶分子,在1秒钟内可以分解十 万个过氧化氢分子。
化剂来进行的。生命体中进行的反应基本上也都是 酶催化作用。
催化作用的本质
1. 改变了反应的历程,从而改变了反应的活化 能。如降低了反应的活化能,使反应加速。
2. 改变了反应的活化熵。如活化熵增加,反应 速率加快。
反应
Ea(非催化) Ea(催化) 催化剂 /kJ·mol-1 /kJ·mol-1
k催/k非催
[ES] [E]0[S]
KM [S]
r

d[P] dt

k2[ES]

k2[E]0[S] KM [S]
以r为纵坐标,以[S]为横坐标作图,从图上 可以看出酶催化反应一般为零级,有时为一级。
酶催化的反应速率曲线
r k2[E]0[S] KM [S]
1.当底物浓度很大时,[S]>>KM,r =k2[E]0,反应只 与酶的浓度有关,而与底物浓度无关,对[S]呈零级。
(2)溶剂极性的影响 如果生成物的极性比反应物 大,极性溶剂能加快反应速率,反之亦然。
(3)溶剂化的影响 反应物分子与溶剂分子形成的 化合物较稳定,会降低反应速率;若溶剂能使活化络合
物的能量降低,从而降低了活化能,能使反应加快。
(4)离子强度的影响 离子强度会影响有离子参加 的反应速率,会使速率变大或变小,这就是原盐效应。
KM相当于 [ES] 的不稳定常数
d[P] dt

k2 [ES]

k2 [S][E] KM
酶催化反应的级数
令酶的原始浓度为[E]0,反应达稳态后,一 部分变为中间化合物[ES],余下的浓度为[E]
[E] [E]0 -[ES]
[ES] [E][S] ([E]0 -[ES])[S]
KM
KM
用稳态近似法处理
k
SE
ES k2 E P

k1
d[P] dt

k2
[ES]
d[ES] dt

k1[S][E]-k1[ES]-k2[ES]

0
KM

k1 k2 k1
KM称为米氏常数
[ES] k1[S][E] [S][E]
k1 k2
KM
KM

[S][E] [ES]
质子酸碱: 能电离出质子(H+)的物质(分子、离子或原 子团)叫酸; 能接受H+的物质叫碱. NH3(碱)+H3O+(酸)==NH4+(酸) +H2O(碱)
Lewis酸碱: 凡能接受电子对的物质(分子、离子或原子
团)都是酸; 凡能给出电子对的物质都是碱.
F
H
FH



F : B (L酸) : N : H (L碱) F : B : N : H
(3).反应速率等于单位时间单位体积内发生的 有效碰撞的碰撞次数.
碰撞数(1)
假设:浓度为nA、半径为rA的硬球分子A和半径为rB、 浓度为nB的硬球分子B发生碰撞.其碰撞截面为(rA+rB)2, 则相对速率为uAB的A分子在单位时间内沿碰撞轨迹上扫 过的碰撞数如下:
ZA->B=π(rA+rB)2 uABnB
酶催化反应历程
Michaelis-Menten,Briggs,Haldane,Henry等人
研究了酶催化反应动力学,提出的反应历程如
下:
k
SE
ES k2 E P
k1
他们认为酶(E)与底物(S)先形成中间化合物
ES,中间化合物再进一步分解为产物(P),并释放
出酶(E),整个反应的速控步是第二步。
与阿仑尼乌斯公式比较得:
A

d
2 AB
L
8ekBT
这就是碰撞理论所得的指前因子计算公式.计算发 现除少数反应外,反应的指前因子与一般反应实际有很 大差距.
碰撞理论与阿仑尼乌斯方程的比较
则反应速率为:
dcA dt

d
2 AB
L
8kBT
e

Ec
/
RT
c
AcB
dcA dt

2rA2 L
kBT
MA
e

Ec
/
RT
c
2 A
碰撞理论与阿仑尼乌斯方程的比较
由:
dcA dt

d
2 AB
L
8kBT
e

Ec
/
RT
c
AcB
与二级反应速率方程比较得:
k

d
2 AB
L
8kBT eEc / RT
同分子反应,由于每两个分子才能发生碰撞,故:
Z AA

1 2
d
2 AA

8kBT (MA /
2) nA2

2d
2 AA
kBT
MA
nA2
有效碰撞分数反应速率
根据分子运动论可知,相撞分子对的碰撞动
能>C的活化碰撞数占总碰撞数的分数,即活化
碰撞分数:
q=exp(-C/kBT)= exp(-EC/RT)
取对数得:
ln
k

ln[
d
2 AB
L
8kB ] 1 ln T Ec
2
RT
由活化能的定义得:
Ea

RT 2( 1 2T

Ec RT 2
)

Ec

1 2
RT
碰撞理论与阿仑尼乌斯方程的比较

Ea

Ec

1 2
RT
代入
k

d
2 AB
L
8kBT eEc / RT
得:
k

d
2 AB
L
8ekBT eEa / RT
2HIH2+I2 2H2O2H2+O2 2SO2 +O2 2SO3 3H2 +N2 2NH3
184.1 244.8 251.0 334.7
104.6 136.0 62.76 167.4
Au 1.8108(503K) Pt 8.81018(300K) Pt 8.41010(900K) Fe-Al2O3- 2.11015(570K) K2O
由于所采用模型的局限性,使计算值与实验 值不能完全吻合,还必须引入一些校正因子,使 理论的应用受到一定的限制。
碰撞理论基本要点
(1).气体分子A和B必须碰撞才能发生反应.反应 速率比例于单位时间内分子的碰撞次数.
(2).只有碰撞动能大于某临界值(称为反应阈能 或临界能)的碰撞才是有效碰撞.只有有效碰 撞才能发生反应.
3.反应条件温和 一般在常温、常压下进行。
4.反应历程复杂 受pH、温度、离子强度影响较大。
碰撞理论
I速率理论的共同点 I两个分子的一次碰撞过程 I有效碰撞直径和碰撞截面 IA与B分子互碰频率 I两个A分子的互碰频率 I硬球碰撞模型 I碰撞参数 I有效碰撞分数
I反应截面 I反应阈能 I碰撞理论计算速率系数 的公式 I反应阈能与实验活化能的 关系
在一次遭遇中,反应物分子有可能发生反 应,也有可能不发生反应。
每次遭遇在笼中停留的时间约为10-12~10-11s, 进行约100~1000次碰撞,频率与气相反应近 似。
溶剂对反应速率的影响
溶剂对反应速率的影响是十分复杂的,主要有:
(1)溶剂介电常数的影响
介电常数大的溶剂会
降低离子间的引力,不利于离子间的化合反应。
催化反应一般Hale Waihona Puke Baidu理及速率常数
若催化剂K能加速反应:A+BAB ,设其机理为:
(1). A K k1 AK k2
(2). AK B k3 AB K
设反应(2)很慢,反应(1)可以达到平衡,则用平衡假设有 c AK
总反应的速率为:
r k3cAK

k1 k2
k3cK cA
kcK
催化反应动力学
催化剂: 被加入到反应体系中,可以改变反应的速率,而 本身在反应前后在化学性质和数量上都没有变化的 物质。
正催化剂:使反应速率增加的催化剂。俗称的催化剂 即指正催化剂。
负催化剂:使反应速率下降的催化剂。又称阻化剂。 催化作用:由于催化剂在加入使反应速率发生变化的
这种作用。 现代化学工业中,绝大多数反应都是要采用催
k1 k2
cA
cK cA
于是有:
r

k3cAK

k1 k2
k3cK cA

kcK cA
故有:
k
k1 k2
k3

A1 A2
A3cK
exp(
Ea,1

Ea,3 RT

Ea,2
)
酸碱的定义
(1). 酸碱的定义-(1)
Arrhenius酸碱: 在水溶液中能电离出质子(H+)的物质 叫酸; 能电离出氢氧根离子(OH-)的物质叫碱. HCl(酸) ==H+ +Cl- , NaOH(碱) ==Na+ +OH-
对有效碰撞分数较小的反应, 笼效应对其反应影响不大;对自 由基等活化能很小的反应,一次 碰撞就有可能反应,则笼效应会 使这种反应速率变慢,分子的扩 散速度起了速决步的作用。
一次遭遇(one encounter)
反应物分子处在某一个溶剂笼中,发生连 续重复的碰撞,称为一次遭遇,直至反应物分 子挤出溶剂笼,扩散到另一个溶剂笼中。
则碰撞总数为: ZAB=πd 2uABnAnB
由分子运动论知,气体分子A与B的平均相对速率为:
uAB=(8kBT/)1/2, 其中 =MA MB/(MA+ MB)
则:
Z AB

d
2 AB
8kBT

nAnB
碰撞数(2)
碰撞的一对分子称为相撞分子对(简称分子对),相 撞分子对的运动可分为:分子对的整体运动和两分子相 对于其共同质心的运动.其中相对于质心的平动能,才 能克服两分子间的斥力和旧键的引力转化为势能,从而 翻越反应能峰.



F
H
FH
酸碱催化原理
酸碱催化反应机理认为:催化剂与反应物 分子之间通过电子对的授受而配位,或者发生 强烈极化,形成离子型活性中间物种进行催化 反应.反应速率系数与催化剂的酸碱度直接相 关的这种催化作用即为酸碱催化.
根据参与酸碱催化反应的酸碱种类的不同, 常将酸碱催化分为特殊酸碱催化和一般酸碱催化 两类.
反应机理的确定
初步观察、收集数据、鉴定中间产物、提出机理并验证。
初步观察和收集数据:反应是单相或多相反应;该反 应是热反应还是光化反应;该反应是否是链反应;测 定总反应得各动力学参数。
在溶液中进行反应
笼效应 一次遭遇 原盐效应
笼效应(cage effect)
在溶液反应中,溶剂是大量的,溶剂分子环绕 在反应物分子周围,好像一个笼把反应物围在中间, 使同一笼中的反应物分子进行多次碰撞,其碰撞频 率并不低于气相反应中的碰撞频率,因而发生反应 的机会也较多,这种现象称为笼效应。
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