Кинетика активной среды кислородно-йодного лазера

Закон действующих масс

Константа скорости реакции

Сечение реакции

Пусть в смеси газов идет реакция, в результате которой одни компоненты смеси преобразуются в другие. Это может быть как истинно химическая реакция, то есть процесс перестройки структуры химических связей, так и другие процессы преобразования, например – электронный обмен, колебательный или вращательный обмен. Под этим понимаются процессы обмена энергией, приводящие к изменениям в квантовом состоянии атомов и молекул. Эти процессы, также как и истинно химические реакции, происходят при столкновениях, что позволяет формально считать их химическими реакциями и описывать с ними единым образом.

В основе описания кинетики любой реакции лежит закон действующих масс [1], согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов. Разберемся в смысле этих понятий.

Реакция происходит (с какой-то вероятностью, меньшей единицы) при столкновении молекул (атомов) реагентов. Скорость реакции – это количество актов реакции, происходящее в единице объема среды в единицу времени. Размерность скорости реакции – м³/(моль*с), когда концентрации веществ и количество актов реакции измеряются не в штуках, а в молях на м³.

Если реакция имеет вид A+B→ C+D, то

Здесь k – константа скорости реакции. Для реакции второго порядка размерность константы должна быть [м³/(моль*с)]. Второй порядок означает, что в реакции принимают участие два реагента, а на микро-уровне акт реакции происходит с некоторой вероятностью, когда происходит столкновение молекул двух реагентов.

Порядок реакции может быть произвольным. Для порядка N:

а размерность константы скорости реакции должна быть: [м^3(N-1)/(моль^N-1*c], тогда в уравнении закона действующих масс размерности правой и левой частей совпадают. Здесь NC – общее количество компонент смеси, включая как реагенты, так и продукты реакции.

Наибольшую скорость обычно имеют реакции второго порядка, поскольку столкновение двух частиц значительно более вероятно, чем трех и более. В принципе могут иметь место реакции первого порядка, которые, в отличие от других порядков, вообще не связаны со столкновениями.

Если концентрации частиц измерять не в молях на м³, а в частицах на м³, то размерность константы скорости второго порядка – [м³/с]. Для произвольного порядка: [м^3(N-1)/c].

Константа скорости реакции k связана с сечением реакции s следующим образом:

где v – средняя тепловая скорость движения молекул. То есть если размерность концентраций – [1/м³], а константы скорости реакции второго порядка - [м³/с], то размерность сечения реакции – [м²], что вполне естественно.

Если размерность концентраций – [моль/м³], а константы скорости реакции второго порядка - [м³/(моль*с)], то размерность сечения реакции – [м²/моль]. Это уже не так естественно, но так уж есть.

Еще один вариант: когда основная система единиц – СГС, то концентрации измеряются в молекулах на кубический сантиметр ([1/см³]), константы скорости реакций второго порядка – в [см³/с], а сечения реакций – в [см²].

Формулы для пересчета значений константы скорости приведены в таблице 1. В заголовках строк и столбцов – размерности концентраций, в ячейках – множители, на которые нужно умножить константу скорости для пересчета ее из размерности строк в размерность столбцов.

В заголовках привести не размерности концентраций, а размерности констант скорости

Таблица 1. Пересчет констант скорости реакций второго порядка.