Активированный комплекс

Диаграмма координат реакции, показывающая активированный комплекс в области с наибольшей потенциальной энергией.

В химии активированный комплекс представляет собой набор промежуточных структур в химической реакции , когда связи разрываются и образуются. Активированный комплекс представляет собой расположение атомов в произвольной области вблизи седловой точки поверхности потенциальной энергии . Эта область представляет собой не одно определенное состояние, а ряд нестабильных конфигураций, через которые проходит совокупность атомов между реагентами и продуктами реакции. Активированные комплексы имеют частичный реагентный и продуктовый характер, что может существенно влиять на их поведение в химических реакциях.

Термины «активированный комплекс» и «переходное состояние» часто используются как взаимозаменяемые, но они представляют разные понятия. Переходные состояния представляют собой только конфигурацию атомов с наивысшей потенциальной энергией во время реакции, тогда как активированный комплекс относится к диапазону конфигураций вблизи переходного состояния. В координате реакции переходное состояние представляет собой конфигурацию максимума диаграммы, тогда как активированный комплекс может относиться к любой точке вблизи максимума.

Теория переходного состояния (также известная как теория активированного комплекса) изучает кинетику реакций, которые проходят через определенное промежуточное состояние со стандартной энергией активации Гиббса Δ G °. ^‡ . Переходное состояние, обозначенное двойным крестиком, представляет собой точную конфигурацию атомов, которая имеет равную вероятность образования либо реагентов, либо продуктов данной реакции.

Энергия активации — это минимальное количество энергии, необходимое для инициирования химической реакции и образования активированного комплекса. Энергия служит порогом, который молекулы реагента должны преодолеть, чтобы преодолеть энергетический барьер и перейти в активированный комплекс. Эндотермические реакции поглощают энергию из окружающей среды, а экзотермические реакции выделяют энергию. Некоторые реакции происходят спонтанно, тогда как другие требуют подвода внешней энергии. Реакцию можно визуализировать с помощью диаграммы координат реакции, чтобы показать энергию активации и потенциальную энергию на протяжении всей реакции.

Активированные комплексы впервые обсуждались в теории переходного состояния (также называемой теорией активированных комплексов), которая была впервые разработана Айрингом , Эвансом и Поланьи в 1935 году.

Скорость реакции

Теория переходного состояния

Теория переходного состояния объясняет реакционную динамику реакций. Теория основана на идее о наличии равновесия между активированным комплексом и молекулами реагирующего вещества. Теория включает в себя концепции теории столкновений , которая утверждает, что для того, чтобы реакция произошла, реагирующие молекулы должны столкнуться с минимальной энергией и правильной ориентацией. Реагенты сначала преобразуются в активированный комплекс, а затем распадаются на продукты. Судя по свойствам активированного комплекса и реагирующих веществ, константа скорости реакции равна $$k=K{\frac {k_{B}T}{h}}$$где K — константа равновесия , ${\textstyle k_{B}}$ — постоянная Больцмана , T — термодинамическая температура , h — постоянная Планка . Теория переходного состояния основана на классической механике, поскольку предполагает, что по мере протекания реакции молекулы никогда не вернутся в переходное состояние.

Симметрия

Активированный комплекс с высокой симметрией может снизить точность выражения скорости. Ошибка может возникнуть из-за введения чисел симметрии в вращательные статистические суммы реагентов и активированных комплексов. Чтобы уменьшить ошибки, числа симметрии можно опустить, умножив выражение скорости на статистический коэффициент: $$k=l^{\ddagger }{\frac {k_{B}T}{h}}{\frac {Q_{\ddagger }}{Q_{A}Q_{B}}}e^{\left(-{\frac {\epsilon }{k_{B}T}}\right)}$$где статистический коэффициент ${\textstyle l^{\ddagger }}$ — количество эквивалентных активированных комплексов, которые могут образоваться, а Q — статистические суммы чисел симметрии, которые были опущены.

Активированный комплекс представляет собой совокупность молекул, которые образуются, а затем взрываются вдоль определенной внутренней нормальной координаты. Обычные молекулы имеют три поступательные степени свободы , а их свойства аналогичны активированным комплексам. Однако активированные комплексы обладают дополнительной степенью трансляции, связанной с их приближением к энергетическому барьеру, пересечением его и последующей диссоциацией.

См. также

• Координационный комплекс
• Промежуточный продукт реакции