От природы реагирующих веществ

Влияние природы реагирующих веществ определяется их атомным составом, пространственным строением и молекулярными свойствами. Скорость химической реакции определяется скоростью разрыва одних и образованием других химических связей. Известно, что изменение длины химической связи, валентных углов и других геометрических параметров молекулы сопровождается изменением ее потенциальной энергии. Поэтому взаимодействие частиц должно характеризоваться изменением потенциальной энергии всей системы. Взаимодействие обычно происходит в одном конкретном месте молекулы – ее реакционном центре, и оно может быть охарактеризовано каким либо из параметров: длинами двух связей (образующейся и разрывающейся), валентным углом между связями и др.

Природа реагирующих веществ сказывается на их реакционной способности через природу реакционных центров многоатомных молекул. Поэтому необходимо выяснить, как и почему изменяется потенциальная энергия взаимодействия реакционных центров.

По числу взаимодействующих в элементарном акте молекул определяют молекулярность реакции и различают реакции мономолекулярные, бимолекулярные и т. д. Мономолекулярная реакция – реакция, связанная с распадом молекулы на меньшие ее части. Бимолекулярная реакция – реакция, определяемая взаимодействием в элементарном акте двух молекул. Реакции, требующие одновременного столкновения трех и более молекул, маловероятны и встречаются очень редко.

Поэтому рассмотрим изменение потенциальной энергии реагирующих частиц в наиболее распространенной – бимолекулярной реакции.

Чтобы произошла реакция, необходимо сначала преодолеть отталкивание электронных оболочек молекул, разорвать или ослабить связи между атомами исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным – не приведет к образованию новой молекулы. Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества.

Как уже указывалось, избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества называется энергией активации данной реакции, а молекулы, обладающие такой энергией, называются активными.

Если энергия активации очень мала (< 40 кДж/моль), то реакция протекает очень быстро. Это характерно для реакций между веществами с ионными связями, т.е. в растворах электролитов, где реакции проходят между ионами, т. е. мгновенно.

Если в молекулах исходных веществ связи ковалентные, то энергия активации может быть > 120 кДж/моль и реакции протекают либо медленно, либо без внешних воздействий практически не идет. Особенно большую энергию активации требуют реакции с ковалентной неполярной связью в молекулах исходных веществ. Так реакция:

при невысокой температуре протекает крайне медленно и проходит со взрывом при освещении смеси этих газов солнечным светом. Квант света, падающий на смесь водорода с хлором, вызывает диссоциацию молекулы хлора, как менее прочную

В результате столкновения атомов хлора с молекулами водорода возникают атомы (радикалы) водорода:

Эти атомы водорода в свою очередь взаимодействуют с молекулами хлора, и снова образуются радикалы хлора: Н* + Сl₂ → НСl + Сl*. Затем реакция повторяется.

Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации (40 – 120 кДж/моль) протекают не очень медленно и не очень быстро. Они начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии. Это состояние называется активированным комплексом или переходным состоянием. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он распадается с образованием исходных веществ или продуктов реакции; при этом энергия выделяется.

Переходное состояние возникает в ходе как прямой, так и обратной реакции. Энергетически оно отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных – на энергию активации обратной реакции.