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:
Химическая реакционная способность отдельного вещества (реагента) охватывает его поведение, при котором оно:
Химическая реакционная способность вещества может относиться к множеству обстоятельств (условий, включая температуру, давление, присутствие катализаторов), в которых оно реагирует, в сочетании с:
Термин «реакционная способность» связан с понятиями химической стабильности и химической совместимости .
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.
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:
регулируется законом ставки :
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
затем
где n — порядок реакции A , m — порядок реакции B , n + m — порядок полной реакции, а k — константа реакции.