【精品】化学动力学基础(二)（可编辑.ppt

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1、化学动力学基础(二)上一内容下一内容回主目录11.1 碰撞理论第十一章 化学动力学基础(二)11.2 过渡态理论11.3 单分子反应理论11.4 分子反应动态学简介11.5 在溶液中进行的反应11.6 快速反应的测试11.7 光化学反应11.8 催化反应动力学2023/3/10上一内容下一内容回主目录11.1 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I概率因子I碰撞理论的优缺点2023/3/10上一内容下

2、一内容回主目录背景Arrhenius从宏观或经验的角度总结出Arrhenius公式：认为反应的速率常数与温度的关系决定于活化能与指前因子。为了从理论上或从微观的角度对Arrhenius公式进行解释，特别是预测给定条件下的速率常数，20世纪后先后建立起碰撞理论、过渡态理论和单分子反应理论。与热力学的经典理论相比，这些动力学理论发展较迟，很不完善，还存在着明显不足之处。2023/3/10上一内容下一内容回主目录速率理论的共同点速率理论的共同点这些速率理论的共同点是：反应物分子之间的“碰撞”是反应进行的必要条件，但并不是所有“碰撞”都会引起反应。是否能反应取决于能量等因素，与碰撞时具体变化过程密切相

3、关。在讨论碰撞时的具体变化过程所选定的微观模型不同，则导致了不同的速率理论。将气体分子运动论应用与碰撞过程则产生了碰撞理论，将量子力学应用与碰撞过程则产生了过渡态理论，这些理论都能导出宏观动力学中速率常数的计算公式。学习时要注意：各速率理论在讨论碰撞过程时，所采用微观模型上的差别。2023/3/10上一内容下一内容回主目录上一内容下一内容回主目录上一内容下一内容回主目录两个分子的一次碰撞过程 两个分子在相互的作用力下，先是互相接近，接近到一定距离，分子间的斥力随着距离的减小而很快增大，分子就改变原来的方向而相互远离，完成了一次碰撞过程。粒子在质心体系中的碰撞轨线可用示意图表示为：2023/3/

4、10上一内容下一内容回主目录两个分子的一次碰撞过程2023/3/10上一内容下一内容回主目录有效碰撞直径和碰撞截面 运动着的A分子和B分子，两者质心的投影落在直径为 的圆截面之内，都有可能发生碰撞。称为有效碰撞直径，数值上等于A分子和B分子的半径之和。AB分子间的碰撞和有效直径虚线圆的面积称为碰撞截面（collision cross section）。数值上等于 。2023/3/10上一内容下一内容回主目录A与与B分子互碰频率分子互碰频率考虑考虑B B分子静止时，一个分子静止时，一个A A分子与分子与B B分子的碰撞频率分子的碰撞频率 考虑体系中一个考虑体系中一个 A 分子以平均速率分子以平均

5、速率 移动，移动，在于在于 A 分子运动轨迹垂直的平面内，若分子运动轨迹垂直的平面内，若 B 分子的质分子的质心投影落在图中虚线所示截面之内者，都能与此心投影落在图中虚线所示截面之内者，都能与此 A 分分子相碰撞。也即当子相碰撞。也即当B分子的质心落在碰撞截面扫过的分子的质心落在碰撞截面扫过的“圆柱体圆柱体”内时，即可与内时，即可与A分子发生碰撞。分子发生碰撞。碰撞次数2023/3/10上一内容下一内容回主目录 uA t圆柱体积圆柱体积 d2AB uA tA分子运动t时后在空间扫过的体积2023/3/10上一内容下一内容回主目录实际上B分子不是静止的，而具有一定的运动速度 ，此时可考虑对A采用

6、相对速度 ，使B相对静止，而A的平均相对速度为：A与与B分子互碰频率分子互碰频率uAuBur2023/3/10上一内容下一内容回主目录A与与B分子互碰频率分子互碰频率 考虑了A、B分子间的相对运动，并且将一个A分子的碰撞频率拓展到所有A分子后可得单位体积内A、B分子互碰频率为：2023/3/10上一内容下一内容回主目录两个A分子的互碰频率 当体系中只有一种A分子，两个A分子互碰的相对速度为：每次碰撞需要两个A分子，为防止重复计算，在碰撞频率中除以2，所以两个A分子互碰频率为：2023/3/10上一内容下一内容回主目录 为碰撞截面面积，为碰撞截面面积，为平均相对速率为平均相对速率A与与B分子互碰

7、频率分子互碰频率2023/3/10上一内容下一内容回主目录300 K，1 p 下，求单位体积、单位时间内氧下，求单位体积、单位时间内氧分子的碰撞频率。分子的碰撞频率。解：此为同种分子相碰撞解：此为同种分子相碰撞 =3.61010 m MA=0.032 kg/molO2(300 K,1 p )=40.621 mol/m3m3 s1若每次碰撞均引起反应，则氧气消耗速率为：若每次碰撞均引起反应，则氧气消耗速率为：2023/3/10上一内容下一内容回主目录硬球碰撞模型 将总的动能表示为质心整体运动的动能 和分子相对运动的动能 ，两个分子在空间整体运动的动能 对化学反应没有贡献,而相对动能可以衡量两个分

8、子相互趋近时能量的大小，有可能发生化学反应。设A和B为没有结构的硬球分子，质量分别为 和 ,折合质量为 ,运动速度分别为 和 ，总的动能为2023/3/10上一内容下一内容回主目录如图：三对分子对具有相同的相对动能，但碰撞的剧如图：三对分子对具有相同的相对动能，但碰撞的剧烈程度显然不同烈程度显然不同,分子间碰撞有效性还取决于分子间的分子间碰撞有效性还取决于分子间的相对位置。这种相对位置可用碰撞参数表示。相对位置。这种相对位置可用碰撞参数表示。AB2023/3/10上一内容下一内容回主目录碰撞参数（impact parameter）碰撞参数用来描述粒子碰撞激烈的程度，通常用字母b表示。通过A球质

9、心，画平行于 的平行线，两平行线间的距离就是碰撞参数b。数值上：在硬球碰撞示意图上，A和B两个球的连心线 等于两个球的半径之和，它与相对速度 之间的夹角为 。2023/3/10上一内容下一内容回主目录碰撞参数（impact parameter）2023/3/10上一内容下一内容回主目录分子碰撞相对平动能分子碰撞相对平动能 r，只有在分子连心线上，只有在分子连心线上的分量的分量 r才有助于反应的发生。才有助于反应的发生。有效相对平动能有效相对平动能2023/3/10上一内容下一内容回主目录有效碰撞有效碰撞 分子互碰并不是每次都发生反应，只有相对平动能在连心线上的分量大于阈能的碰撞才是有效的。也即

10、当 时的碰撞才是有效碰撞。bbr（碰撞参数临界值）时，刚好使得）时，刚好使得2023/3/10上一内容下一内容回主目录 值与温度无关，实验尚无法测定，而是从实验活化能 计算。反应阈能(threshold energy of reaction)2023/3/10上一内容下一内容回主目录反应截面（cross section of reaction)当b等于某一值br时，2023/3/10上一内容下一内容回主目录反应截面（cross section of reaction)式中br是碰撞参数临界值，只有碰撞参数小于br的碰撞才是有效的。反应截面 的定义式为：为反应阈能，从图上可以看出，反应截面是相对

11、平动能的函数，相对平动能至少大于阈能，才有反应的可能性，相对平动能越大，反应截面也越大。2023/3/10上一内容下一内容回主目录 在宏观反应体系中，碰撞分子有各种可能的相对在宏观反应体系中，碰撞分子有各种可能的相对速度，对宏观反应速率常数均有其贡献，也即宏观速度，对宏观反应速率常数均有其贡献，也即宏观反应速率常数是各微观速率常数的统计平均。反应速率常数是各微观速率常数的统计平均。某一对相对速度为某一对相对速度为 ，相对动能为，相对动能为 的分子对，的分子对，对对反应速率的贡献反应速率的贡献为：为：是相对速度的分布函数是相对速度的分布函数微观反应速率常数与宏观反应速率常数微观反应速率常数与宏观

12、反应速率常数2023/3/10上一内容下一内容回主目录作变量代换，代入作变量代换，代入 可得：可得：宏观反应速率常数计算宏观反应速率常数计算Maxwell分布：分布：2023/3/10上一内容下一内容回主目录宏观反应速率常数计算宏观反应速率常数计算2023/3/10上一内容下一内容回主目录宏观反应速率常数计算宏观反应速率常数计算2023/3/10上一内容下一内容回主目录有效碰撞分数 分子互碰并不是每次都发生反应，只有相对平动能在连心线上的分量大于阈能的碰撞才是有效的，所以绝大部分的碰撞是无效的。要在碰撞频率项上乘以有效碰撞分数q。2023/3/10上一内容下一内容回主目录气体分子的能量与速率分

13、布气体分子的运动速率分布:2023/3/10上一内容下一内容回主目录气体分子的能量与速率分布将上式积分,可得能量大于某定值E1的分子在总分子数中的分数。在二维空间：2023/3/10上一内容下一内容回主目录相对动能在总分子数中的分数可引申出相对动能大于某定值 的分子在总分子数中的分数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录碰撞理论计算速率系数的公式(1)(2)式完全等效，(1)式以分子计，(2)式以1mol计算。2023/3/10上一内容下一内容回主目录反应阈能与实验活化能的关系实验活化能的定义：碰撞理论计算速率系数的公式：将与T无关的物理量总称为B：总结：阈能Ec与温度无关，但无法测定，

14、要从实验活化能Ea计算。在温度不太高时，Ea Ec2023/3/10上一内容下一内容回主目录例：反应：例：反应：2NOCl=2NO+Cl2 在在 600K 的的 k 值实测为值实测为 60 dm3mol1s1，已知其活化能，已知其活化能 Ea=105.5 kJmol1，NOCl 的的分子直径为分子直径为 2.831010m，MNOCl=65.5103 kgmol1。计算。计算 600K 该反应的速率常数该反应的速率常数 k。解：解：Ec=Ea1/2RT=1055001/28.314600 =103006 Jmol12023/3/10上一内容下一内容回主目录概率因子（probability fa

15、ctor）概率因子又称为空间因子或方位因子。由于简单碰撞理论所采用的模型过于简单，没有考虑分子的结构与性质，所以用概率因子来校正理论计算值与实验值的偏差。P=k(实验)/k(理论)2023/3/10上一内容下一内容回主目录概率因子（probability factor）(1)从理论计算认为分子已被活化，但由于有的分子只有在某一方向相撞才有效；(2)有的分子从相撞到反应中间有一个能量传递过程，若这时又与另外的分子相撞而失去能量，则反应仍不会发生；(3)有的分子在能引发反应的化学键附近有较大的原子团，由于位阻效应，减少了这个键与其它分子相撞的机会等等。理论计算值与实验值发生偏差的原因主要有：202

16、3/3/10上一内容下一内容回主目录碰撞理论的优缺点 优点：碰撞理论为我们描述了一幅虽然粗糙但十分明确的反应图像，在反应速率理论的发展中起了很大作用。缺点：但模型过于简单，所以要引入概率因子，且概率因子的值很难具体计算。阈能还必须从实验活化能求得，所以碰撞理论还是半经验的。对阿仑尼乌斯公式中的指数项、指前因子和阈能都提出了较明确的物理意义，认为指数项相当于有效碰撞分数，指前因子A相当于碰撞频率。它解释了一部分实验事实，理论所计算的速率系数k值与较简单的反应的实验值相符。2023/3/10上一内容下一内容回主目录11.2 过渡态理论过渡态理论双原子分子的莫尔斯势能曲线三原子分子的核间距势能面势能

17、面的类型反应坐标马鞍点势能面剖面图三原子体系振动方式统计热力学方法计算速率系数热力学方法计算速率系数活化焓与实验活化能的关系势能面投影图过渡态理论的优缺点2023/3/10上一内容下一内容回主目录过渡态理论(transition state theory)过渡态理论过渡态理论是1935年由艾林艾林(Eyring)和波兰尼（波兰尼（Polany)等人在统计热力学统计热力学和量子力学量子力学的基础上提出来的。他们认为：1、由反应物分子碰撞后变成产物分子的过程中,中间一定要经过一个过渡态，因此称为过渡态理论。2、形成过渡态要考虑分子的内部结构和内部运动。3、形成过渡态需要一定的活化能，以越过反应进程

18、中的能垒，形成活化络合物，所以该理论又称为活化络合物理论。4、活化络合物与反应物分子之间达到化学平衡，反应速率由活化络合物转化成产物的速率决定，即取决于活化络合物键的振动频率。5、反应物分子之间相互作用的势能是分子间相对位置的函数，在反应物转变为产物过程中，系统的势能是能不断变化。2023/3/10上一内容下一内容回主目录过渡态理论(transition state theory)该理论认为反应物分子间相互作用的势能是分子间相对位置的函数。用该理论，只要知道分子的振动频率、质量、核间距等基本物性，就能计算反应的速率系数，所以又称为绝对反应速率理论(absolute rate theory)。2

19、023/3/10上一内容下一内容回主目录双原子分子的莫尔斯势能曲线 莫尔斯(Morse)公式是对双原子分子最常用的计算势能Ep的经验公式：式中r0是分子中双原子分子间的平衡核间距,De是势能曲线的井深,a为与分子结构有关的常数.2023/3/10上一内容下一内容回主目录双原子分子的莫尔斯势能曲线当rr0时,有引力,即化学键力。时的能级为振动基态能级，E0为零点能。根据该公式画出的AB双原子分子的势能曲线如图所示。当rr0时，有斥力。D0为把基态分子离解为孤立原子所需的能量，它的值可从光谱数据得到。2023/3/10上一内容下一内容回主目录双原子分子的莫尔斯势能曲线2023/3/10上一内容下一

20、内容回主目录三原子分子的核间距以三原子反应为例:当A原子与双原子分子BC反应时首先形成三原子分子的活化络合物，该络合物的势能是3个内坐标的函数:这要用四维图表示,现在令ABC=180,即A与BC发生共线碰撞,活化络合物为线型分子，则EP=EP(rAB,rBC),就可用三维图表示。2023/3/10上一内容下一内容回主目录三原子分子的核间距2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面 对于反应:令ABC=180o,EP=EP(rAB,rBC)。随着核间距rAB和rBC的变化，势能也随之改变。这些不同点在空间构成高低不平的曲面，称为势能面，如图所示。2023/3/10上一内容下一内容回主目录势

21、能面图中R点是反应物BC分子的基态,随着A原子的靠近,势能沿着RT线升高，到达T点形成活化络合物。随着C原子的离去，势能沿着TP线下降，到P点是生成物AB分子的稳态。D点是完全离解为A,B,C原子时的势能；OEP一侧,是原子间的相斥能,也很高。2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面M2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面的类型 目前常见的势能面有两种:一种是Eyring和Polanyi利用London对三原子体系的量子力学势能近似式画出的势能面称为London-Eyring-Polanyi势能面，简称LEP势能面。另一种是Sato又在这个基础上进行了修正，使势垒顶端不合理的

22、势阱消失，这样得到的势能面称为 London-Eyring-Polanyi-Sato势能面，简称LEPS势能面。2023/3/10上一内容下一内容回主目录反应坐标(reaction coordinate)反应坐标是一个连续变化的参数，其每一个值都对应于沿反应体系中各原子的相对位置。如在势能面上，反应沿着RTTP的虚线进行，反应进程不同，各原子间相对位置也不同，体系的能量也不同。如以势能为纵坐标，反应坐标为横坐标，画出的图可以表示反应过程中体系势能的变化，这是一条能量最低的途径。2023/3/10上一内容下一内容回主目录马鞍点(saddle point)在势能面上，活化络合物所处的位置T点称为马

23、鞍点。该点的势能与反应物和生成物所处的稳定态能量R点和P点相比是最高点，但与坐标原点一侧和D点的势能相比又是最低点。如把势能面比作马鞍的话，则马鞍点处在马鞍的中心。从反应物到生成物必须越过一个能垒。2023/3/10上一内容下一内容回主目录马鞍点(saddle point)2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面投影图 将三维势能面投影到平面上，就得到势能面的投影图。图中曲线是相同势能的投影，称为等势能线，线上数字表示等势能线的相对值。等势能线的密集度表示势能变化的陡度。2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面投影图 靠坐标原点(O点)一方，随着原子核间距变小，势能急剧升高，是

24、一个陡峭的势能峰。在D点方向，随着rAB和rBC的增大，势能逐渐升高，这平缓上升的能量高原的顶端是三个孤立原子的势能,即D点。反应物R经过马鞍点T到生成物P，走的是一条能量最低通道。2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面投影图2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面剖面图 沿势能面上R-T-P虚线切剖面图，把R-T-P曲线作横坐标，这就是反应坐标。以势能作纵坐标，标出反应进程中每一点的势能，就得到势能面的剖面图。从剖面图可以看出：从反应物A+BC到生成物走的是能量最低通道，但必须越过势能垒Eb。Eb是活化络合物与反应物最低势能之差，E0是两者零点能之间的差值。这个势能垒的存在

25、说明了实验活化能的实质。2023/3/10上一内容下一内容回主目录势能面剖面图2023/3/10上一内容下一内容回主目录三原子体系振动方式 线性三原子体系有三个平动和两个转动自由度，所以有四个振动自由度:(a)为对称伸缩振动，rAB与rBC相等；(b)为不对称伸缩振动，rAB与rBC不等；(c)和(d)为弯曲振动，分别发生在相互垂直的两个平面内，但能量相同。2023/3/10上一内容下一内容回主目录三原子体系振动方式 对于稳定分子，这四种振动方式都不会使分子破坏。但对于过渡态分子，不对称伸缩振动没有回收力，会导致它越过势垒分解为产物分子。所以这种不对称伸缩振动每振一次，就使过渡态分子分解，这个

26、振动频率就是过渡态的分解速率系数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录统计热力学方法计算速率系数 过渡态理论假设：以三原子反应为例,设n是导致络合物分解的不对称伸缩振动的频率,其数值很小(可假定hnkBT).1.反应物与活化络合物能按达成热力学平衡的方式处理；2.活化络合物向产物的转化是反应的决速步。2023/3/10上一内容下一内容回主目录统计热力学方法计算速率系数2023/3/10上一内容下一内容回主目录统计热力学方法计算速率系数从f中分出不对称伸缩振动的配分函数根据用统计热力学求平衡常数的公式：(分离出零点能)2023/3/10上一内容下一内容回主目录线形多原子分子的配分函数原则上

27、只要知道分子的质量、转动惯量、振动频率等微观量，就可以用统计热力学的办法求出配分函数，从而求出速率常数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录热力学方法计算速率系数是反应物与活化络合物达成平衡时的平衡常数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录热力学方法计算速率系数2023/3/10上一内容下一内容回主目录活化焓与实验活化能的关系对凝聚相反应：对气相反应：(设n为气相反应物分子数)2023/3/10上一内容下一内容回主目录过渡态理论的优缺点1.形象地描绘了基元反应进展的过程；缺点：引进的平衡假设和速决步假设并不能符合所有的实验事实；对复杂的多原子反应，绘制势能面有困难，使理论的应用受到

28、一定的限制。2.原则上可以从原子结构的光谱数据和势能面计算宏观反应的速率常数；优点：3.对阿仑尼乌斯的指前因子作了理论说明，认为它与反应的活化熵有关；4.形象地说明了反应为什么需要活化能以及反应遵循的能量最低原理。2023/3/10上一内容下一内容回主目录11.3 单分子反应理论&单分子反应理论&时滞&单分子反应级数&RRKM理论2023/3/10上一内容下一内容回主目录单分子反应理论 1922年林德曼（Lindemann）对单分子气体反应提出的历程为：theory of unimolecular reaction 分子通过碰撞产生了活化分子A*，A*有可能再经碰撞而失活，也有可能分解为产物P

29、。根据林德曼观点，分子必须通过碰撞才能获得能量，所以不是真正的单分子反应。2023/3/10上一内容下一内容回主目录时滞（time lag）活化后的分子还要经过一定时间才能离解，这段从活化到反应的时间称为时滞。在时滞中，活化分子可能通过碰撞而失活，也可能把所得能量进行内部传递，把能量集中到要破裂的键上面，然后解离为产物。对多分子的复杂反应，需要的时间要长一点。林德曼提出的单分子反应理论就是碰撞理论加上时滞假设，很好的解释了时滞现象和为什么单分子反应在不同压力下会体现不同的反应级数等实验事实。2023/3/10上一内容下一内容回主目录单分子反应的级数用稳态法，根据林德曼机理推导速率方程：2023

30、/3/10上一内容下一内容回主目录单分子反应的级数2023/3/10上一内容下一内容回主目录RRKM理论 二十世纪50年代，Marcus 把30年代由RRK（Rice-Ramsperger-Kassel）提出的单分子反应理论与过渡态理论结合，对林德曼的单分子理论加以修正，提出了RRKM理论，该理论提出的反应机理为：富能分子A*要转变成产物P必须先变成过渡态A，消耗一部分能量来克服势能垒Eb，这过程就是林德曼理论中的时滞。他们认为 是 的函数，越大，也越大。2023/3/10上一内容下一内容回主目录11.4 分子反应动态学简介A分子反应动态学A微观可逆性原理A交叉分子束装置示意图A通-速-角等高

31、图A直接反应碰撞A形成络合物的碰撞A红外化学发光A态-态反应A激光诱导荧光喷嘴源喷嘴源 溢流源溢流源 速度选择器速度选择器散射室散射室 检测器检测器 速度分析器速度分析器向前散射向后散射2023/3/10上一内容下一内容回主目录分子反应动态学(molecular reaction dynamics)分子反应动态学是从微观的角度研究反应分子在一次碰撞行为中的性质。这种研究起始于二十世纪三十年代，由Eyling，Polanyi 等人开始，但真正发展是在六十年代，随着新的实验技术和计算机的发展，才取得了一系列可靠的实验资料。D.R.Herschbach和美籍华裔科学家李远哲在该领域做出了杰出的贡献，

32、因而分享了1986年诺贝尔化学奖。2023/3/10上一内容下一内容回主目录分子反应动态学(molecular reaction dynamics)分子动态学主要研究:（1）分子的一次碰撞行为及能量交换过程 （2）反应几率与碰撞角度和相对平动能的关系（3）产物分子所处的各种平动、转动和振动状态（4）如何用量子力学和统计力学计算速率系数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录微观可逆性原理(principle of micro principle of micro reversibility)reversibility)这是力学中的一个基本原理。在力学方程中，时间t用-t代替，速度u用-u代

33、替，力学方程不变，意味着力学方程是可逆的，这是力学中的微观可逆原理。一个基元反应的逆反应也必然是基元反应，而且逆反应需按原来的途径返回，有相同的过渡态。基元反应是分子的一次碰撞行为，应该服从力学的基本定律。将该原理用于基元反应，可表述为：2023/3/10上一内容下一内容回主目录态-态反应（state to state reaction）在宏观动力学的研究中所得的结果是大量分子的平均行为，只遵循总包反应的规律。态-态反应是从微观的角度，观察具有确定量子态的反应物分子经过一次碰撞变成确定量子态的生成物分子时，研究这种过程的反应特征，需从分子水平上考虑问题。为了选择反应分子的某一特定量子态，需要一

34、些特殊设备，如激光、产生分子束装置等，对于产物的能态也需要用特殊的高灵敏度监测器进行检测。2023/3/10上一内容下一内容回主目录交叉分子束装置示意图交叉分子束装置主要由5部分组成：（5）速度分析器，检测产物的速度分布、角分布和平动能分布。（1）束源，用来产生分子束。图中有喷嘴源和溢流源两个束源。（3）散射器，两束分子交叉的中部为反应散射室。（2）速度选择器，在溢流源上方的一组平行线条，表示带有齿孔的选速盘。（4）检测器，在360o立体角范围内检测碰撞后的结果。2023/3/10上一内容下一内容回主目录交叉分子束装置示意图2023/3/10上一内容下一内容回主目录喷嘴源 喷嘴源内气体压力很高

35、，突然以超声速向真空作绝热膨胀，分子由随机的热运动转变为有序的束流，具有较大的平动能。这种分子束的速率分布较窄，不需再加选速器，调节源内压力可改变分子速度。由于绝热膨胀后分子束温度较低，分子的转动和振动可处于基态。2023/3/10上一内容下一内容回主目录溢流源 溢流源俗称炉子，将反应物放入炉中加热变为蒸气，让蒸气从小孔中溢出形成分子束。它的优点是适用与各种物质，炉子结构简单易控制，缺点是束流强度低，分子的速度分布宽。2023/3/10上一内容下一内容回主目录速度选择器 选速器是由一系列带有齿孔的圆盘组成，每个盘上刻有数目不等的齿孔。溢流源产生的分子束中分子运动的速度具有布兹曼分布，为了使进入

36、散射室的分子具有很窄的速度范围，必须选速。控制轴的转速，使符合速度要求的分子穿过齿孔进入散射室，不符合速度要求的分子被圆盘挡住，达到选择分子速度的要求。但这样也会降低分子束的强度。2023/3/10上一内容下一内容回主目录散射室 散射室就是交叉分子束的反应室。两束分子在那里正交并发生反应散射 为了防止其它分子的干扰，散射室必须保持超高真空。在散射室周围设置了多个窗口，由检测仪接收来自散射粒子辐射出的光学信号，以便分析它的量子态，或射入特定的激光束，使反应束分子通过共振吸收激发到某一指定的量子态，达到选态的目的。2023/3/10上一内容下一内容回主目录检测器 检测器用来捕捉在散射室内碰撞后产物

37、的散射方向、产物的分布以及有效碰撞的比例等一系列重要信息。由于稀薄的两束分子在散射室里交叉，只有一小部分发生碰撞，而且有效碰撞的比例更低，产物可能散射到各个不同的方向，所以检测器要灵敏的检测到以散射中心为圆心的360o立体角范围内以每秒几个粒子计数的产物分子。常用的检测器是电离四极质谱仪。2023/3/10上一内容下一内容回主目录速度分析器 在散射产物进入检测器的窗口前面安装一个高速转动的斩流器，用来产生脉冲的产物流。斩流器到检测器之间的距离是事先设定的，可以调节。用时间飞行技术（TOF）测定产物通过斩流器到检测器的先后时间，得到产物流强度作为飞行时间的函数，这就是产物平动能量函数，从而可获得

38、产物的速度分布、角分布和平动能分布等重要信息。2023/3/10上一内容下一内容回主目录通-速-角等高图 通-速-角等高图是通量-速度-角度等量线图的简称。在交叉分子束实验中，测量不同观测角下产物分子散射通量和平动速度，从而获得产物分子的角度分布，最后归纳为通-速-角等高图，在图中将产物的相对通量归一化到峰值为10。2023/3/10上一内容下一内容回主目录通-速-角等高图的通-速-角等高图 从通-速-角等高图上可以清楚的反应出产物分子散射的类型。（a）图用的是实验坐标，（b）图用的是质心坐标，实线为等通量线，线上数值表示通量的相对值，外圈虚线表示按能量守恒所限定的最大速度的极限值。2023/

39、3/10上一内容下一内容回主目录通-速-角等高图2023/3/10上一内容下一内容回主目录直接反应碰撞 在交叉分子束反应中，两个分子发生反应碰撞的时间极短，小于转动周期（10-12s），正在碰撞的反应物还来不及发生转动，而进行能量再分配的反应过程早已结束，这种碰撞称为直接反应碰撞。在通-速-角等高图上，产物分布对=90o的轴显示不对称，保留了产物原来前进方向的痕迹，呈现向前散射或向后散射的特征。2023/3/10上一内容下一内容回主目录向前散射 金属钾和碘两束分子在反应碰撞后，在用质心坐标表示的通-速-角等高图上，产物KI的峰值集中在q=0o的附近，是向前散射的典型例子。在用质心坐标的碰撞模拟

40、图上，犹如K原子在前进方向上与I2分子相撞时，夺取了一个碘原子后继续前进，这种向前散射的直接反应碰撞的动态模型称为抢夺模型。2023/3/10上一内容下一内容回主目录向前散射通-速-角图静态图2023/3/10上一内容下一内容回主目录向后散射 金属钾和碘甲烷两束分子在反应室碰撞后，在用质心坐标表示的通-速-角等高图上，产物KI的分布集中在=180o附近，是向后散射的典型例子。K原子在前进方向上碰到碘甲烷分子，夺取碘原子后发生回弹，这种直接反应碰撞的类型称为回弹模型。2023/3/10上一内容下一内容回主目录向后散射通-速-角图静态图2023/3/10上一内容下一内容回主目录形成络合物的碰撞 两

41、种分子碰撞后形成了中间络合物，络合物的寿命是转动周期的几倍，该络合物经过几次转动后失去了原来前进方向的记忆，因而分解成产物时向各个方向等概率散射。例如金属铯和氯化铷分子碰撞时，在通-速-角等高图上，产物分布以=90o的轴前后对称，峰值出现在=0o和=180o处，这是典型的形成络合物碰撞的例子。2023/3/10上一内容下一内容回主目录形成络合物的碰撞静态图通-速-角图2023/3/10上一内容下一内容回主目录红外化学发光 波兰尼（J.C.Polanyi）是红外化学发光实验的开拓者。在他的实验装置示意图上，反应容器壁用液氮冷却，整个容器接快速抽空系统，压力维持在0.01Pa以下。2023/3/1

42、0上一内容下一内容回主目录红外化学发光 原子反应物A和分子反应物BC分别装在各自的进料器内。反应开始时，迅速打开进料口，使A和BC两束粒子流在下端喷嘴处混合，发生碰撞。所生成产物几乎来不及再次碰撞就被抽走或在冷壁上失活到基态。2023/3/10上一内容下一内容回主目录红外化学发光 刚生成的处于振动和转动激发态的产物分子向低能态跃迁时会发出辐射，这种辐射就称为红外化学发光。容器中装有若干组反射镜，用来更多的收集这种辐射，并把它聚焦到进入检测器的窗口，用光谱仪进行检测。从而可以推算出初生成物分子在各转动、振动能态上的分布。2023/3/10上一内容下一内容回主目录红外化学发光2023/3/10上一

43、内容下一内容回主目录激光诱导荧光 激光诱导荧光与分子束技术相结合，既可以测产物分子在振动、转动能级上的分布，又可以获得角分布的信息。实验装置主要由三部分组成：（1）可调激光器，用来产生一定波长的激光；（2）真空反应室，分子束在其中发生反应碰撞；（3）检测装置，用光谱仪摄谱和数据处理设备。2023/3/10上一内容下一内容回主目录激光诱导荧光2023/3/10上一内容下一内容回主目录激光诱导荧光 实验时，用一束具有一定波长的激光，对初生态产物分子在电子基态各振动和转动能级上扫描，将电子激发到上一电子态的某一振动能级。然后用光谱仪拍摄电子在去激发时放出的荧光，并将荧光经泸色片至光电倍增管，输出的信

44、号经放大器和信号平均器，在记录仪上记录或用微机进行数据处理。就可获得初生态分子在振动、转动能级上的分布和角分布信息。2023/3/10上一内容下一内容回主目录11.5 在溶液中进行反应C笼效应C一次遭遇C原盐效应2023/3/10上一内容下一内容回主目录笼效应（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。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

45、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。2023/3/10上一内容下一内容回主目录笼效应（cage effect）2023/3/10上一内容下一内容回主目录一次遭遇（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。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10-1210-11s，进行约1001000次碰撞，频率与气相反应近似。2023/3/10上一内容下一内容回主目录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

46、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。（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。2023/3/10上一内容下一内容回主目录原盐效应 稀溶液中，离子强度对反应速率的影响称为原盐效应。例如有反应：和 分别为无电解质和有电解质时的速率系数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录原盐效应（1）

47、0，离子强度增 大，k增大，正原盐效应。（2）阻碍流动技术 闪光光解 驰豫法2023/3/10上一内容下一内容回主目录阻碍流动技术 对于混合未完全而已混合的部分反应已完成的快速反应，可以采取这种阻碍流动技术。反应前，两种反应物溶液分置于注射器A及B中。反应开始时，用机械的方法将注射器活塞迅速推下，两种溶液在反应器C中在1/1000s内快速混合并发生反应，用快速自动记录谱仪或照相技术，拍摄C窗口中与浓度呈线性关系的物理量，如电导、旋光、荧光等，然后进行分析。2023/3/10上一内容下一内容回主目录阻碍流动技术2023/3/10上一内容下一内容回主目录闪光光解(flash photolysis)

48、闪光光解利用强闪光使分子发生光解，产生自由原子或自由基碎片，然后用光谱等技术测定产生碎片的浓度，并监测随时间的衰变行为。由于所用的闪光强度很高，可以产生比常规反应浓度高许多倍的自由基；闪光灯的闪烁时间极短，可以检测半衰期在10-6 s以下的自由基；反应管可长达1 m以上，为光谱检测提供了很长的光程。所以闪光光解技术成为鉴定及研究自由基的非常有效的方法。2023/3/10上一内容下一内容回主目录闪光光解(flash photolysis)A：石英反应管B：石英闪光管F：为另一闪光管D：为检测管2023/3/10上一内容下一内容回主目录驰豫法(relaxation method)驰豫法是用来测定快

49、速反应速率的一种特殊方法。对平衡体系施加扰动信号的方法可以是脉冲式、阶跃式或周期式。改变反应的条件可以是温度跃变、压力跃变、浓度跃变、电场跃变和超声吸收等多种形式。当一个快速对峙反应在一定的外界条件下达成平衡，然后突然改变一个条件，给体系一个扰动，偏离原平衡，在新的条件下再达成平衡，这就是驰豫过程。用实验求出驰豫时间，就可以计算出快速对峙反应的正、逆两个速率常数。2023/3/10上一内容下一内容回主目录以1-1级对峙反应为例速率方程平衡时：设 为扰动后与新平衡浓度的差值。2023/3/10上一内容下一内容回主目录以1-1级对峙反应为例令当测定驰豫时间解得k1和k-1用方程组2023/3/10

50、上一内容下一内容回主目录11.7 光化学反应光的波长与能量光化学基本定律量子效率量子产率分子的重度(单重态、三重态)单重态与三重态的能级比较激发到S1和T1态的概率激发态电子能量的衰减方式荧光与磷光的异同点光化学反应动力学光化学反应特点光敏剂雅布伦斯基图化学发光2023/3/10上一内容下一内容回主目录光的波长与能量e=hn=hc/lu=Lhn 一摩尔光量子能量称为一个“Einstein”。波长越短，能量越高。紫外、可见光能引发化学反应。由于吸收光量子而引起的化学反应称为光化学反应。UV Vis IR FIR150 400 800 /nm 紫外 可见光 红外 远红外2023/3/10上一内容下