化学反应动力学

专业课讲了化学动力学反应,还是得记录一下不然真的会忘记的

eg:设有某个反应物\(a\)会经历一系列的过程,先生成中间产物\(B\),再进而转变成最终产物\(C\)

整个系列的反应可表示为:

\[A \stackrel{k_1}{\longrightarrow} B \stackrel{k_2}{\longrightarrow} C \]

其中\(k_1\)和\(k_2\)分别是\(A_0\)各阶段反应的速率常数。如果每个阶段涉及到的都是 first-order reaction,我们就可以写出\(A,B,C\)三者concentration随\(t\)变化的微分方程。

\[\frac{dA}{dt} = -k_1A (a) \\ \frac{dB}{dt} = k_1A -k_2B (b) \\ \frac{dC}{dt} = k_2B (c) \]

为了打字方便,没有很规范地把某个物质\(X\)的浓度写成\([X]\)的形式。所以在方程中出现的代表物质种类这些字母,意指它们各自的浓度,于是待解的微分方程的初始条件为:

\[A(0) = A_0 \\ B(0) = C(0) = 0 \]

之后一次解出上面的三条方程。
\(A\)随时间变化很容易通过将方程\((a)\)分离变量后,再两边积分求出来。

\[\frac{dA}{A} = -k_1dt \\ \int_{A_0}^{A(t)} \frac{dA}{A} = - \int_{0}^{t} k_1 dt \\ lnA - lnA_0 = -k_1t \]

化简后得到大家都很熟悉的结果,\(A\)的浓度随时间呈指数递减:

\[A(t) = A_0e^{-k_1t} \]

把结果代入方程\((b)\)中,可以写出

\[\frac{dB}{dt} + k_2B = A_0k_1e^{-k_1t} \]

这个方程不能直接分离变量来搞定,需要配凑

\[(\frac{dB}{dt} + k_2B)e^{k_2t} = A_0k_1e^{-k_1t} * e^{k_2t} \\ \frac{d}{dt}(Be^{k_2t}) = A_0k_1e^{-(k1 - k2)t} \\ \int_{B(0) = 0}^{B(t)}d(Be^{k_2t}) = \int_0^tA_0k_1e^{-(k_1-k_2)t}dt \\ Be^{k_2t} = -\frac{A_0k_1}{k_1-k_2}(e^{-(k_1-k_2)t}-1) \]

整理后得到\(B\)的浓度随时间的变化:

\[B(t) = \frac{A_0k_1}{k_1-k_2}(e^{-k_2t}-e^{-k_1t}) \]

最后把这东西代近方程\((c)\)中,剩下硬着积

\[\frac{dC}{dt} = \frac{A_0k_1k_2}{k_1-k_2}(e^{-k_2t}-e^{-k_1t}) \\ \int_0^CdC=\frac{A_0k_1k_2}{k_1-k_2}\int_0^t(e^{-k_2t}-e^{-k_1t})dt \\ C=\frac{A_0k_1k_2}{k_1-k_2}(-\frac{1}{k_2}(e^{-k_2t} -1) + \frac{1}{k_2}(e^{-k_1t} - 1)) \]

化简成勉强还能看的最终形式

\[C(t) = A_0(1-\frac{\frac{1}{k_1}e^{-k_1t} - \frac{1}{k_2}e^{-k_2t}}{\frac{1}{k_1}-\frac{1}{k_2}}) \]

可以画出以下图像:
to be continued。。。

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