Реакционная способность (химия)

Склонность химического вещества вступать в реакцию

В химии реактивность — это импульс, с которым химическое вещество вступает в химическую реакцию , как само по себе , так и с другими материалами, с общим выделением энергии .

Реактивность относится к:

• химические реакции одного вещества,
• химические реакции двух или более веществ, которые взаимодействуют друг с другом,
• систематическое изучение наборов реакций этих двух видов,
• методология, которая применяется для изучения реакционной способности химических веществ всех видов,
• экспериментальные методы, которые используются для наблюдения за этими процессами, и
• теории для прогнозирования и объяснения этих процессов.

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

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

Химическая реактивность вещества может относиться к различным обстоятельствам (условиям, 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 — довольно расплывчатое понятие в химии. Похоже, что оно включает в себя как термодинамические факторы, так и кинетические факторы (т. е. реагирует ли вещество и насколько быстро оно реагирует). Оба фактора на самом деле различны и оба обычно зависят от температуры. Например, обычно утверждается, что реакционная способность щелочных металлов ( Na , K и т. д.) увеличивается вниз по группе в периодической таблице, или что реакционная способность водорода подтверждается его реакцией с кислородом. Фактически, скорость реакции щелочных металлов (о чем свидетельствует их реакция с водой, например) является функцией не только положения внутри группы, но и размера частиц. Водород не реагирует с кислородом, даже если константа равновесия очень велика, если только пламя не инициирует радикальную реакцию, что приводит к взрыву.

Ограничение термина для обозначения скоростей реакции приводит к более последовательному взгляду. Реакционная способность тогда относится к скорости , с которой химическое вещество имеет тенденцию подвергаться химической реакции с течением времени. В чистых соединениях реакционная способность регулируется физическими свойствами образца. Например, измельчение образца до более высокой удельной площади поверхности увеличивает его реакционную способность. В нечистых соединениях реакционная способность также зависит от включения загрязняющих веществ. В кристаллических соединениях кристаллическая форма также может влиять на реакционную способность. Однако во всех случаях реакционная способность в первую очередь обусловлена ​​субатомными свойствами соединения.

Хотя обычно говорят, что «вещество X является реактивным», каждое вещество реагирует со своим собственным набором реагентов. Например, утверждение, что «металлический натрий является реактивным», 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 реакционной способностью. Например, изолированная молекула электронно-возбужденного состояния молекулы кислорода спонтанно испускает свет после статистически определенного периода. ^{[ необходима 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 реактивности (т. е. реагирует ли вещество) можно рационализировать на атомном и молекулярном уровне, используя более старую и простую теорию валентных связей, а также теорию атомных и молекулярных орбиталей. Термодинамически 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. Как правило, электроны существуют на орбиталях , которые являются результатом решения уравнения Шредингера для конкретных ситуаций.

При равенстве всех вещей (значений квантовых чисел n и m _l ) порядок стабильности электронов в системе от наименьшего к наибольшему — неспаренный, без других электронов на подобных орбиталях, неспаренный, со всеми вырожденными орбиталями, заполненными наполовину, и наиболее стабильный — заполненный набор орбиталей. Чтобы достичь одного из этих порядков стабильности, атом реагирует с другим атомом, чтобы стабилизировать оба. Например, у одиночного атома водорода на его 1s-орбитали находится один электрон. Он становится значительно более стабильным (до 100 килокалорий на моль , или 420 килоджоулей на моль ), реагируя с образованием H ₂ .

По этой же причине углерод почти всегда образует четыре связи . Его основная валентная конфигурация — 2s ² 2p ² , заполненная наполовину. Однако энергия активации для перехода от полузаполненных к полностью заполненным p-орбиталям незначительна, и, как таковой, углерод образует их почти мгновенно. Между тем, процесс высвобождает значительное количество энергии ( экзотермический ). Эта конфигурация из четырех равных связей называется sp ³ гибридизацией .

Три вышеприведенных абзаца рационализируют, хотя и очень обобщенно, реакции некоторых распространенных видов, в частности атомов. Одним из подходов к обобщению вышеизложенного является модель деформационной активации ^{[1] [2] [3]} химической реактивности, которая обеспечивает причинно-следственную связь между жесткостью реагентов и их электронной структурой, а также высотой барьера реакции.

Скорость любой данной реакции:

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

регулируется законом о ставках :

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

где скорость — это изменение молярной концентрации за одну секунду на этапе, определяющем скорость реакции (самый медленный этап), [A] — это произведение молярной концентрации всех реагентов, возведенных в правильный порядок (известный как порядок реакции), а k — константа реакции, которая постоянна для одного заданного 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

• Термодинамическая активность
• Катализ
• Реакционная серия
• Кинетика Михаэлиса–Ментена
• Органическая химия
• Химическая кинетика
• Теория переходного состояния
• Теория Маркуса
• Уравнение Клопмана–Сейлема

Ссылки

1. Wolters, LP; Bickelhaupt, FM (2015-07-01). «Модель активационной деформации и теория молекулярных орбиталей». Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science . 5 (4): 324–343. doi :10.1002/wcms.1221. ISSN  1759-0884. PMC 4696410.  PMID 26753009  .
2. Bickelhaupt, FM (1999-01-15). "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, К. Н. (2007-08-09). «Управление энергией искажения/взаимодействия при реактивности 1,3-диполярного циклоприсоединения». Журнал Американского химического общества . 129 (35): 10646–10647. doi :10.1021/ja0734086. PMID  17685614.