Реакционная способность (химия)

В химии химическое реакционная способность — это импульс, ради которого 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 ссылка ]} Период полураспада такого вида является еще одним проявлением его стабильности, но его реакционную способность можно определить 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 n и m _l квантовых чисел ) 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 . в основном состоянии равна 2s. Его валентная конфигурация ² 2р ², наполовину заполнен. 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 sp. ³ гибридизация .

Вышеупомянутые три абзаца объясняют, 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 и высотой реакционного барьера.

Скорость любой реакции:

{\ce {Reactants -> Products}}

регулируется законом ставки :

{\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

{\ce {A + B -> C + D}}

,

затем

{\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.

См. также

Ссылки

^ 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 .
^ 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 .
^ 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 .

[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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]