Как происходят реакции: теория столкновений
Чтобы произошла химическая реакция, реагенты должны взаимодействовать друг с другом, т. е. сталкиваться. Пояснить это можно на примере игры в пул. Чтобы отправить 8-балльный шар в угловую лузу, в него нужно попасть другим шаром. При столкновении от одного шара другому передается кинетическая энергия (энергия движения), благодаря кото-
рой второй шар направляется (будем надеяться) к лузе. При столкновении молекул друг с другом образуется энергия, необходимая для разрыва имеющихся связей и образования новых.
Однако вернемся к игре в пул. Всем известно, что не каждый удар по шару приводит к попаданию его в лузу. Иногда силы удара по шару (а значит, и энергии) оказывается недостаточно, чтобы он оказался в лузе. То же самое относится к столкновениям молекул и к реакциям. Иногда, даже если столкновение произошло, но было передано мало кинетической энергии, молекулы будут двигаться недостаточно быстро. Увеличить скорость движения молекул может нагревание реагентов. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул. При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия, которая, в свою очередь, способствует разрыву связей при столкновениях.
Вернемся к игре в пул. Иногда удар может быть достаточно сильным, но направлен не в ту сторону, где расположена луза, поэтому шар в нее не попадает. Это также относится к столкновению молекул. Чтобы произошла реакция, молекулы должны двигаться в нужном направлении.
Предположим, есть уравнение, которое показывает, как молекула A-B вступает в реакцию с молекулой C и при этом образуются молекулы C-A и B.
Из уравнения видно, что для реакции необходимо, чтобы реагент C сталкивался с той частью молекулы A-B, где находится A. (Это следует из того, что в правой части уравнения в качестве продукта реакции указано вещество C-A, т.е. произошло соединение C и A.) Таким образом, если молекула C столкнется с той частью молекулы A-B, где находится B, то ничего не произойдет. Часть A этой воображаемой молекулы называется реактивным участком, т.е. местом молекулы, в котором должно произойти столкновение, чтобы, в свою очередь, произошла реакция. Если молекула C сталкивается с той частью молекулы A-B, где находится A, появляется шанс передать количество энергии, достаточное для разрыва связи A-B. После этого разрыва может быть образована связь C-A. Следовательно, уравнение нашей реакции можно записать так, как показано ниже (разрыв связи AB и образование связи CA изображаются волнистыми линиями).
Таким образом, чтобы произошла эта реакция, на реактивном участке должно иметь место столкновение C и A-B. Это столкновение должно передать количество энергии, достаточное для разрыва связи A-B и образования связи C-A.
Рассмотренный пример довольно прост. Предполагается, что для протекания реакции требуется одно столкновение, т. е. реакция состоит из одной стадии. Существует множество реакций, состоящих из одной стадии, однако ничуть не меньше таких, которые протекают в несколько стадий. В ходе таких реакций образуется несколько соединений, которые, в свою очередь, вступают в реакции друг с другом до тех пор, пока из реагентов не получатся конечные продукты. Такие соединения называются промежуточными. Они показаны в механизме реакции, т. е. в последовательности стадий, которые проходит основная реакция, начиная с взаимодействия реагентов и заканчивая образованием продуктов. Однако не будем усложнять себе жизнь и рассмотрим в этой главе реакции, состоящие лишь из одной стадии.
A-B + С — C-A + B
C~A~B — C-A + B
Энергия нужна для разрыва связей между атомами.
Пример экзотермической реакции
Допустим, что воображаемая реакция A-B + C — C-A + B является экзотермической, т. е. реакцией, в результате которой выделяется энергия. Реагенты находятся в более высоком энергетическом состоянии, чем продукты, поэтому и происходит высвобождение энергии в ходе этого превращения. Соответствующая диаграмма приведена на рис. 8.1.
Здесь Ea означает энергию активации реакции — ту энергию, которая нужна, чтобы реакция началась. Столкновение молекул C и A-B с разрывом связи A-B и образованием связи C-A соответствует максимуму на схеме и называется переходным состоянием реакции. Как показано на рис. 8.1, разность между энергетическими уровнями реагентов и продуктов реакции равна количеству энергии (тепловой), высвобождаемой в ходе реакции.
Рис. 8.1. Экзотермическая реакция A-B + C — C-A + B
Пример эндотермической реакции
Допустим, что реакция A-B + C — C-A + B является эндотермической, т.е. протекающей с поглощением энергии. Таким образом, в эндотермической реакции реагенты находятся в более низком энергетическом состоянии, чем ее продукты. Соответствующая диаграмма приведена на рис. 8.2.
Подобно диаграмме для экзотермической реакции (см. рис. 8.1), эта диаграмма показывает, что с реакцией связана определенная энергия активации (обозначаемая как Ea). Однако в данном случае для превращения реагентов в продукты реакции нужно вначале приложить больше энергии, чтобы реакция могла начаться, а затем в ходе реакции вы получаете эту энергию назад. Обратите внимание, что переходному состоянию реакции соответствует максимум на схеме — точно так же, как и для экзотермической реакции. Различие заключается в том, что в эндотермической реакции при превращении реагентов в продукты энергия (теплота) поглощается.