научная статья по теме К РАСЧЕТУ КОНСТАНТ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВОЗБУЖДЕННЫМИ РЕАГЕНТАМИ Химия

Текст научной статьи на тему «К РАСЧЕТУ КОНСТАНТ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВОЗБУЖДЕННЫМИ РЕАГЕНТАМИ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 1, с. 9-17

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ, КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, КАТАЛИЗ

УДК 539.196

К РАСЧЕТУ КОНСТАНТ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ С КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВОЗБУЖДЕННЫМИ РЕАГЕНТАМИ

© 2004 г. Б. Ф. Гордиец*, С. А. Лосев**, А. Л. Сергиевская**, Э. А. Ковач**

*Физический институт Российской академии наук, Москва **Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Поступила в редакцию 19.02.2003

Проведен анализ трех известных моделей уровневых констант скорости химических реакций. Рассмотрены теоретико-информационное приближение и две эмпирические модели - модель эффективности колебательной энергии и обобщение модели Мэрроуна-Тринора (Маггопе-Тгеапог), в которых уровневые константы скорости рассчитываются по сравнительно простым формулам как функции энергии колебательных уровней молекулы-реагента и одного или двух параметров. В работе представлен простой метод нахождения параметров этих моделей, определяющих относительные значения уровневых констант скорости для эндотермических реакций обмена. Метод основан на знании экспериментального параметра ^ - доли общей энергии, выделяющейся в обратной экзотермической реакции, которая поступает в колебания. При этом осуществлена модификация представленных ранее в литературе моделей с целью более корректного описания уровневых констант скорости.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с интенсивным развитием неравновесной плазмохимии и лазерной химии значительный интерес представляет исследование кинетики химических реакций, протекающих в отсутствие равновесия по колебательным степеням свободы молекул-реагентов. Для изучения таких реакций необходимо прежде всего знание уровневых констант скоростей химических реакций, т.е. констант скорости реакций с участием молекул-реагентов на отдельных колебательных уровнях. В настоящее время экспериментальные данные по таким константам крайне скудны, и они обычно рассчитываются численными методами в каждом конкретном случае. Существуют также теоретико-информационное приближение (ТИП) (см., например, [1-3]) и эвристические эмпирические модели, такие, например, как модель эффективности колебательной энергии - а-модель [4, 5] и СУСУ-модель [6] (обобщение модели Мэрроуна-Тринора (Маггопе-Тгеапог) [7]), в которых уровневые константы скорости к(т, Т) химических реакций, протекающих с участием двухатомных молекул, рассчитываются по сравнительно простым формулам как функции энергии колебательных уровней т молекулы-реагента и одного или двух параметров, фактически определяющих эффективность вклада колебательной энергии в преодоление реагентами активационного барьера реакции. Значения этих параметров во многих случаях неизвестны и должны определяться дополнительно.

Одним из простых способов определения этих параметров является использование информации

о протекании обратной экзотермической реакции, а именно знание параметра ^ - доли общей энергии, идущей на возбуждение колебаний молекулы-продукта этой реакции, т.е. молекулы-реагента прямой эндотермической реакции. В настоящее время накоплена весьма обширная (в основном экспериментальная) информация о величинах ^ для различных экзотермических реакций [8]. Именно такой способ использования экспериментального значения ^ был применен в [9] для определения "коэффициента колебательной неожиданности" Х(Т) и расчета в теоретико-информационном приближении уровневых констант к(т, Т) конкретной эндотермической реакции ^(т) + О —- N0 + N.

Цель данной работы - получение универсальных графических зависимостей и сравнительно простых уравнений, позволяющих для эндотермических реакций обмена из значения ^ для обратной безбарьерной экзотермической реакции найти величины параметров, определяющих значения уровневых констант скорости к(т, Т) прямой эндотермической реакции с участием двухатомных молекул-реагентов АВ(т) на колебательных уровнях т:

АВ(т) + С —- А + ВС. (1)

При этом ставится задача определения параметров X, а и и, характеризующих константы к(т, Т) в рамках соответственно каждой из трех моделей: теоретико-информационного приближения (ТИП-модель или Х-модель), а-модели и СУСУ-модели.

1. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МОДЕЛИ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Для решения задачи используем соотношение детального баланса для уровневых констант скорости прямой (идущей с уровня т молекулы АВ) и обратной (идущей на уровень т молекулы АВ) реакции (1):

К(Т)Р(т, Т)к(т, Т) = к(—► т, Т).

(2)

Ъ =

XЕтк(—-т, Т)

т_

* Xк(—-т, Т)

(3)

к(т, Т) = А(Т)

1-X

12 +

1-Х (1-Х)^

6 + Ат + лт |ехр [( 1 - Ат]

(4а)

При Ат < 0 Ет < Еа;

к(т, Т) = А(Т)

Здесь К(Т) - константа равновесия для прямой и обратной реакции, Р(т, Т) = exp(-Em/kT)/Qvib - равновесное (с температурой газа Т) колебательное распределение молекул АВ(т), Qvib - колебательная статсумма, Ет - энергия колебательного уровня т, к(т, Т) - константа скорости прямой реакции, к(—► т, Т) - константа скорости обратной реакции. Учитывая (2), для доли ^ имеем соотношение:

12

1

1- х |Х|

-1\ + 6

1

2 + -1 1 +

+

|Х|3 (1- Х)^

- А (Т)

+ I 6 + ||| ]Лт + лт

(1- X)2 X

■ в_ 2 IX 1_12+|Х| + х2 + (46)

ехр ( Ат | Х|)

При Ат > 0 Ет > Е а

Ет - Еа

Ат =

кТ

(5)

X Ет ехр (-Ет/кТ)к(т, Т)

1

- т_

Еа X ехр(-Ет/кТ)к(т, Т)

где Еа - общая энергия, выделяющаяся в одном акте обратной экзотермической реакции. В дальнейшем будем полагать, что эта реакция не имеет энергетического барьера и поэтому Еа - это энергия активации прямой эндотермической реакции. Суммирование в (3) проводится по всем уровням т таким, что Ет < Еа.

Для описания уровневых констант к(т, Т), входящих в (3), будут использоваться три модели.

• В рамках теоретико-информационного приближения (ТИП-модели) для реакции АВ + С —-—► А + ВС, где С - атом, имеем [2]

Здесь А(Т) - нормировочный множитель, Х(Т) -искомый параметр, называемый "колебательной неожиданностью". Он определяет отличие реальных констант скорости от так называемых априорных констант скорости к0(т, Т), определяемых только плотностью состояний и величиной полной энергии системы сталкивающихся частиц. Эти константы соответствуют значению Х(Т) = 0 и равны [2]:

к0( т, Т) = В (Т)(20-8 Ат + Ат ) ехр (Ат)

при Ат < 0,

к0(т, Т) = В(Т)^20 + 12Ат + 3Ат + 3Ат) при Ат > 0.

(6а)

(66)

Здесь В(Т) - также нормировочный множитель. • В рамках а-модели для к(т, Т) имеем [4, 5]

к(т, Т) = <

к 0 (Т) ехр

Еа - а Е,

кТ

При аЕт < Еа

к 0 ( Т ) при а Ет > Еа.

(7 а) (7 б)

+

т

т

Здесь к0(Т) - предэкспоненциальный нормировочный множитель, а(Т) - искомый параметр. Величина а определяет эффективность колеба-

тельной энергии молекулы-реагента в преодолении активационного барьера Еа при температуре, равной Т.

К РАСЧЕТУ КОНСТАНТ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ • Для СУСУ-модели имеем [6]

к(т, Т) = <

к0( Т) ехр ¡-^О-^+Ы при Ет <у Еа,

кТ ки

к0( Т) ехр |-Еа(кТ У) +к-и[ при Ет > У Еа,

(8 а) (8 б)

где, как и в (7), к0 (Т) - предэкспоненциальный нормировочный множитель, у и и - параметры модели.

Интересно отметить, что при Еа/кТ > 1 для нижних колебательных уровней (при Ет < Еа, уЕа) все три модели дают близкие зависимости констант к(т, Т) от Ет, если считать, что параметры Х(Т), а и и в этих моделях связаны соотношением

Х( Т )- 1- а- -Т/ и. (9)

Это соотношение получается из сравнения формул (4а), (7а), (8а) при использовании условия |Ат| > 1. Необходимо подчеркнуть, что по результатам

численных расчетов и экспериментов параметр Х(Т) в ТИП-модели может быть как положительным, так и отрицательным. Поэтому, как это следует из (9), для согласованного описания к(т, Т) в рамках всех трех моделей логично считать, что в а-модели величина а может быть как меньше, так и больше единицы, а в СУСУ-модели параметр и - как положительным, так и отрицательным. Для случая а > 1 мы, однако, модифицируем а-модель, изменив условие перехода от формулы (7а) к (76), так что при а > 1 вместо (7) будем использовать формулу

к о (Т) ехр\-Е±-аЕт У при Ет < Е±,

кТ

(10 а)

к(т, Т) = <

ко(Т)ехр(1- а» при Ет > Е±

(10 б)

Такая модификация при а > 1 позволяет получить как для прямой, так и обратной реакции (1) монотонное увеличение констант скорости к(т, Т) и к(—► т, Т) с ростом т вплоть до уровня с энергией Ет - Е±.

Значения Х(Т) < 0, а(Т) > 1 и и(Т) > 0 (при у = 1) означают, что при данных температурах Т эндотермическая реакция (1) с конкретной величиной ^ идет преимущественно с верхних колебательных уровней, т.е. Р(т)к(т, Т) > Р(п)к(п, Т), если т > п, Еп < Ет < Еа. Однако при Ет > Еа прямая реакция (1) становится фактически экзотермической, а обратная ей - эндотермической. Очевидно, что константы к(—► т, Т) такой эндотермической реакции должны убывать с ростом т, ибо в этом

случае для осуществления реакции необходимо преодоление возрастающего энергетического барьера Ет-Еа. Если учитывать (2), то это всегда выполняется для ТИП- и а-моделей. Однако в СУСУ-модели, предложенной в [6], это не так, и при 0 < и < Т продолжается экспоненциальный рост к(—► т, Т). Чтобы устранить эту некорректность, в дальнейшем будем использовать модифицированную СУСУ-модель. Эта модификация состоит, во-первых, в выборе в (8) значения у = 1 (что фактически уменьшает число параметров модели с двух до одного) и, во-вторых, в изменении выражения (86). Таким образом, для модифицированной и уже однопараметрической СУСУ-модели вместо (8) имеем

к(т, Т) = <

к 0 (Т) ехр <|-

Е - Е Е

атт

кТ и

+ — У при Ет < Еа

к0 (Т) ехр I иа] при Ет > Еа

(11 а) (11 б)

Зависимость уровневых констант скорости (11) от колебательной энергии Ет молекулы-реагента для модифицированной СУСУ-модели является такой же, как и в СУББУ-модели, предложенной в [10].

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

УРОВНЕВЫХ КОНСТАНТ СКОРОСТИ

Обратимся теперь к нахождению параметров X, а и и. После подстановки (4), (5), (10), (11) в (3) получим уравнения, из которых можно путем их численного решения определить значения X, а и и как функции при фиксированном значении Т. Из (3)-(5), (10), (11) следует, что результат будет зависеть от безразмерных параметров а = кТ/Еа, Ьт = кТ/Ет и от функциональной зависимости эн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком