链反应
chain reaction
通过在反应过程中交替和重复产生的活性中间体(自由基或自由原子)而使反应持续进行的一类化学反应。如反应H2+Cl2→2HCl的机理如下:
Cl2+M→2Cl+M(1)
Cl+H2→HCl+H(2)
H+Cl2→HCl+Cl (3)
……………
2Cl+M→Cl2+M(4)
在反应(1)中,靠热、光、电或化学作用产生活性组分——氯原子,随之在反应(2)、(3)中活性组分与反应物分子作用而交替重复产生新的活性组分——氯原子和氢原子,使反应能持续不断地循环进行下去,直到活性组分消失,此即链反应。反应中的活性组分称为链载体。
链反应的机理一般包括3个步骤:①链引发[1]。是依靠热、光、电、化学等作用在反应系统中产生第一个链载体的反应,一般为稳定分子分解为自由基的反应,如反应(1)。②链的传递。由链载体与饱和分子作用产生新的链载体和新的饱和分子的反应,如反应(2)、(3)。③链终止。链载体的消亡过程,如反应(4)。式中M为接受链终止所释放出能量的第三体(其他分子或反应器壁等)。
在链传递阶段,若一个旧的链载体消失只导致产生一个新的链载体,称为直链反应;若一个旧的链载体消失而导致产生两个或两个以上的新的链载体,则称为支链反应。
分类直链反应 在链反应中,活性组分自由基不断再生,自由价保持不变,例如以下反应:
Cl·+H2─→HCl+H·
H·+Cl2─→HCl+Cl·
反应中单自由价的氯原子(或氢原子)产生单自由价的氢原子(或氯原子)。
支链反应 在链反应中,当一个单自由价的链载体和分子反应时,能产生多于一个的新自由基,为支链反应,例如下列反应:
H+O2─→HO+O
O+H2─→OH+H
再加上其他链传递过程:OH+H2─→H2O+H,就可将H-O2反应图解如下:
不难看出,上述反应中,与核反应中一个中子能产生三个新中子一样,一个H产生三个新的H,依次类推。因此,在某些条件下,该反应的速率可变为无限大,因而可以发生爆炸。
退化支链反应 在链的支化过程中生成了比链载体更为稳定的活泼分子(如有机过氧化物),而这种活泼性分子又能分解出多于一个的支链载体,使支化过程得以进行。但这种分子分解产生链载体的过程,比链载体所进行的反应要缓慢得多。这就是退化支链反应。某些有机物的液相氧化反应属于此类反应。