Магистрант → Физическая химия → Химическая кинетика ↓
Цепные реакции и полимеризация
Химическая кинетика сосредоточена на понимании скоростей химических реакций и этапов, на которых они происходят. Эти знания помогают нам понять, как взаимодействуют молекулы, трансформируются и образуют продукты. Два важных процесса, часто обсуждаемых в химической кинетике, - это цепные реакции и полимеризация. Оба включают сложные последовательности реакций, хотя они происходят в разных контекстах и приложениях.
Цепные реакции: подробный обзор
Цепные реакции - это последовательности реакций, в которых реактивный интермедиат, часто радикал, способствует превращению реагентов в продукты через серию стадий распространения. Эти реакции могут протекать очень быстро и иногда приводят к взрывным результатам.
Начальная стадия
Первый шаг в цепной реакции - это стадия инициации. На этой стадии образуются реактивные интермедиаты, обычно через термическое разложение, фотолиз или реакции с другими химическими веществами.
Рассмотрим реакцию хлора и водорода:
Cl 2 → 2 Cl•Здесь газообразный хлор поглощает энергию (например, ультрафиолетовый свет) с образованием двух хлорных радикалов (Cl•).
Фаза распространения
На стадиях распространения промежуточные вещества реагируют с стабильными молекулами с образованием новых промежуточных веществ и продуктов. Распространение обычно включает превращение начальных реагентов в конечные продукты.
Продолжая реакцию хлора и водорода, распространение цепи включает два основных этапа:
1. Cl• + H 2 → HCl + H• 2. H• + Cl 2 → HCl + Cl•Эти этапы перерабатывают реактивные интермедиаты H• и Cl•, позволяя реакции продолжаться.
Фаза завершения
Цепные реакции не продолжаются бесконечно. Завершение происходит, когда реактивные интермедиаты объединяются с образованием стабильных молекул, оставляя интермедиаты в дефиците.
Завершение может происходить следующим образом:
Cl• + Cl• → Cl 2 H• + H• → H 2Эти реакции удаляют радикалы из системы, таким образом подавляя дальнейшие реакции.
Визуальное представление
+------------------+
| Инициация |
+------------------+
⬇
1. Cl 2 → 2 Cl•
+------------------+
| Распространение |
+------------------+
⬇
2. Cl• + H 2 → HCl + H•
3. H• + Cl 2 → HCl + Cl•
+------------------+
| Завершение |
+------------------+
⬇
4. Cl• + Cl• → Cl 2
5. H• + H• → H 2Реакции полимеризации
Полимеризация включает связывание мономерных единиц в длинные, повторяющиеся цепи, известные как полимеры. Эти реакции важны в производстве многих видов материалов, от пластмасс до синтетических волокон.
Механизм присоединения
Полимеризация по механизму присоединения или цепного роста обычно включает ненасыщенные мономеры (такие как алкены), которые образуют полимеры через стадии инициации, распространения и завершения.
Инициация полимеризации
Радикальный инициатор инициирует полимеризацию, реагируя с мономерной единицей и образуя радикал, способный к продолжению реакции.
Рассмотрим полимеризацию полиэтилена из этилена:
Инициатор → Инициатор•
Инициатор• + CH 2 =CH 2 → Инициатор-CH 2 -CH 2 •Радикал инициатора атакует двойную связь этилена, производя новый радикал.
Распространение в полимеризации
Во время распространения конец активной цепи добавляет больше мономеров, увеличивая длину полимерной цепи.
Этот процесс продолжается следующим образом:
Инициатор-CH 2 -CH 2 • + CH 2 =CH 2 → Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) 2 •Этот процесс продолжается, потребляя больше молекул этилена и удлиняя полимерную цепь.
Завершение полимеризации
Завершение в полимеризации по механизму присоединения может происходить в результате процессов суммирования или диспропорционирования.
Два возможных сценария завершения:
1. Соединение: Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) n • + Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) m • → Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) n+m -Инициатор
2. Диспропорционирование: Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) n • + Инициатор-(CH 2 -CH 2 ) m • → Законченный полимерЭто останавливает процесс полимеризации.
Полимеризация со стадиями роста
В отличие от полимеризации по механизму присоединения, полимеризация со стадиями роста включает случайную реакцию бифункциональных или многофункциональных мономеров.
Производство нейлона путем поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты:
NH 2 -(CH 2 ) 6 -NH 2 + HOOC-(CH 2 ) 4 -COOH → [-NH-(CH 2 ) 6 -NH-CO-(CH 2 ) 4 -COO-] n + (2n - 1) H 2 OЭта полимеризация происходит через образование и расширение молекул различного размера до тех пор, пока они не станут полимером.
Визуальное представление
+----------------------+
| Фаза инициации |
+----------------------+
⬇
Инициатор → Инициатор•
Инициатор• + Мономер → Инициатор-Мономер•
+----------------------+
| Фаза распространения |
+----------------------+
⬇
Инициатор-Мономер• + Мономер → Инициатор-(Мономер) n •
+----------------------+
| Фаза завершения |
+----------------------+
⬇
Соединение или ДиспропорционированиеЗначение цепных реакций и полимеризации
Понимание цепных реакций и полимеризации важно в различных промышленных приложениях. Цепные реакции являются основными в процессах горения, где контроль имеет решающее значение для обеспечения безопасности и эффективности. В области полимеров овладение методами полимеризации позволяет оптимизировать свойства пластмасс и смол для конкретных применений, от повседневных материалов до передовых технологических приложений.
Примеры текста
Рассмотрите автомобильную промышленность, которая в значительной степени зависит от полимеризации. Шины, пластиковые детали и покрытия являются продуктами хорошо спроектированных реакций полимеризации. Цепные реакции также важны в двигателях внутреннего сгорания, где контролируемые взрывные реакции углеводородов обеспечивают движение транспортных средств.
Заключение
Тщательный баланс стадий инициации, распространения и завершения обеспечивает эффективное и контролируемое выделение энергии или образование материалов как в цепных реакциях, так и в полимеризации. Достижения в этой области способствуют инновациям в науке о полимерах и устойчивой химии.
Комментарии