Реакционная способность (химия)

Склонность химического вещества вступать в реакцию

В химии реактивность — это импульс, ради которого химическое вещество вступает в химическую реакцию само по себе или с другими материалами с общим выделением энергии .

Реактивность означает:

• химические реакции одного вещества,
• химические реакции двух или более веществ, взаимодействующих друг с другом,
• систематическое изучение совокупностей реакций этих двух видов,
• методология, применимая к изучению реакционной способности химических веществ всех видов,
• экспериментальные методы, которые используются для наблюдения за этими процессами, и
• теории, позволяющие предсказать и объяснить эти процессы.

Химическая реакционная способность отдельного вещества (реагента) охватывает его поведение, при котором оно:

• разлагается,
• образует новые вещества путем присоединения атомов другого реагента или реагентов и
• взаимодействует с двумя или более другими реагентами с образованием двух или более продуктов.

Химическая реакционная способность вещества может относиться к множеству обстоятельств (условий, включая температуру, давление, присутствие катализаторов), в которых оно реагирует, в сочетании с:

• разнообразие веществ, с которыми он реагирует,
• точка равновесия реакции (т.е. степень, в которой все это реагирует), и
• скорость реакции.

Термин «реакционная способность» связан с понятиями химической стабильности и химической совместимости .

Альтернативная точка зрения

Реакционная способность — несколько расплывчатое понятие в химии. Похоже, что он включает в себя как термодинамические факторы, так и кинетические факторы (т.е. реагирует ли вещество и как быстро оно реагирует). Оба фактора на самом деле различны, и оба обычно зависят от температуры. Например, обычно утверждают, что реакционная способность щелочных металлов ( Na , K и т. д.) возрастает вниз по группе в таблице Менделеева или что о реакционной способности водорода свидетельствует его реакция с кислородом. Фактически скорость реакции щелочных металлов (о чем свидетельствует, например, их реакция с водой) зависит не только от положения внутри группы, но и от размера частиц. Водород не реагирует с кислородом (хотя константа равновесия очень велика), если только пламя не инициирует радикальную реакцию, приводящую к взрыву.

Ограничение использования этого термина для обозначения скорости реакции приводит к более последовательному мнению. Реакционная способность тогда относится к скорости , с которой химическое вещество имеет тенденцию вступать в химическую реакцию во времени. В чистых соединениях реакционная способность регулируется физическими свойствами образца. Например, измельчение образца до более высокой удельной поверхности увеличивает его реакционную способность. В нечистых соединениях на реакционную способность также влияет наличие примесей. В кристаллических соединениях кристаллическая форма также может влиять на реакционную способность. Однако во всех случаях реакционная способность обусловлена ​​прежде всего субатомными свойствами соединения.

Хотя утверждения о том, что «вещество X является химически активным», являются обычным явлением, каждое вещество реагирует со своим собственным набором реагентов. Например, утверждение о том, что «металлический натрий реакционноспособен», предполагает, что натрий реагирует со многими распространенными реагентами (включая чистый кислород, хлор, соляную кислоту и воду) либо при комнатной температуре, либо при использовании горелки Бунзена .

Понятие стабильности не следует путать с реактивностью. Например, изолированная молекула электронно-возбужденного состояния молекулы кислорода самопроизвольно излучает свет через статистически определенный период. ^{[ нужна цитата ]} Период полураспада такого вида является еще одним проявлением его стабильности, но его реакционная способность может быть установлена ​​только через его реакции с другими видами.

Причины реактивности

Второе значение реакционной способности (то есть, реагирует ли вещество или нет) можно объяснить на атомном и молекулярном уровне, используя более старую и простую теорию валентных связей, а также теорию атомных и молекулярных орбиталей. С термодинамической точки зрения химическая реакция происходит потому, что продукты (взятые как группа) имеют более низкую свободную энергию , чем реагенты; состояние с более низкой энергией называется «более стабильным состоянием». Квантовая химия обеспечивает наиболее глубокое и точное понимание причины, по которой это происходит. Обычно электроны существуют на орбиталях , которые являются результатом решения уравнения Шредингера для конкретных ситуаций.

При прочих равных условиях (значения квантовых чисел n и m _l ) порядок стабильности электронов в системе от наименьшего до наибольшего: неспаренный, при отсутствии других электронов на аналогичных орбиталях, неспаренный, когда все вырожденные орбитали наполовину заполнены, а наиболее стабильная представляет собой заполненный набор орбиталей. Чтобы достичь одного из этих порядков стабильности, атом вступает в реакцию с другим атомом, чтобы стабилизировать оба. Например, одинокий атом водорода имеет один электрон на своей 1s-орбитали. Он становится значительно более стабильным (до 100 килокалорий на моль , или 420 килоджоулей на моль ) при реакции с образованием H ₂ .

По этой же причине углерод почти всегда образует четыре связи . Его валентная конфигурация в основном состоянии равна 2s ² 2p ² , наполовину заполнена. Однако энергия активации перехода от наполовину заполненных к полностью заполненным p-орбиталям незначительна, и поэтому углерод образует их почти мгновенно. При этом в процессе выделяется значительное количество энергии ( экзотермический ). Эта конфигурация четырех равных связей называется sp3 ^- гибридизацией .

Вышеупомянутые три абзаца рационализируют, хотя и в очень общем виде, реакции некоторых распространенных видов, особенно атомов. Одним из подходов к обобщению вышеизложенного является модель активационного напряжения ^{[1] [2] [3]} химической реакционной способности, которая обеспечивает причинную связь между жесткостью реагентов и их электронной структурой, а также высотой реакционного барьера.

Скорость любой реакции:

${\displaystyle {\ce {Reactants -> Products}}}$

регулируется законом ставки :

${\displaystyle {\text{Rate}}=k\cdot [{\ce {A}}]}$

где скорость - это изменение молярной концентрации за одну секунду на определяющей скорость стадии реакции (самая медленная стадия), [A] - это произведение молярной концентрации всех реагентов, возведенных в правильный порядок (известный как порядок реакции), а k — константа реакции, которая является постоянной для одного данного набора обстоятельств (обычно температуры и давления) и не зависит от концентрации. Реакционная способность соединения прямо пропорциональна как значению k , так и скорости. Например, если

${\displaystyle {\ce {A + B -> C + D}}}$,

затем

${\displaystyle {\text{Rate}}=k\cdot [{\ce {A}}]^{n}\cdot [{\ce {B}}]^{m}}$

где n — порядок реакции A , m — порядок реакции B , n + m — порядок полной реакции, а k — константа реакции.

Смотрите также

• Катализ
• Серия реактивности
• Кинетика Михаэлиса – Ментен
• Органическая химия
• Химическая кинетика
• Теория переходного состояния
• Теория Маркуса
• Уравнение Клопмана – Салема

Рекомендации

1. Уолтерс, LP; Бикельхаупт, FM (01 июля 2015 г.). «Модель активационного напряжения и теория молекулярных орбиталей». Междисциплинарные обзоры Wiley: вычислительная молекулярная наука . 5 (4): 324–343. дои : 10.1002/wcms.1221. ISSN  1759-0884. ПМК  4696410 . ПМИД  26753009.
2. Бикельхаупт, FM (15 января 1999 г.). «Понимание реакционной способности с помощью теории молекулярных орбиталей Кона – Шэма: механистический спектр E2 – SN2 и другие концепции». Журнал вычислительной химии . 20 (1): 114–128. doi :10.1002/(sici)1096-987x(19990115)20:1<114::aid-jcc12>3.0.co;2-l. ISSN  1096-987X.
3. Эсс, Д.Х.; Хоук, КН (9 августа 2007 г.). «Контроль энергии искажения / взаимодействия реакционной способности 1,3-диполярного циклоприсоединения». Журнал Американского химического общества . 129 (35): 10646–10647. дои : 10.1021/ja0734086. ПМИД  17685614.