Главная > Химия > Органическая химия (Моррисон Р.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2.19. Течение реакции: изменение энергии

Эти изменения энергии хорошо видны на рис. 2.2 и 2.3. Ход реакции представлен горизонтальным перемещением от исходных веществ слева к конечным веществам справа. Потенциальная энергия (т. е. вся энергия, кроме кинетической) на любой стадии реакции указывается высотой кривой.

Рассмотрим ход реакции на рис. 2.2. Исходной точкой служит уровень потенциальной энергии молекулы метана и атома хлора. Эти частицы движутся и, следовательно, кроме потенциальной энергии, обладают еще кинетической. Точное значение кинетической энергии различно для каждой пары частиц, поскольку одни движутся быстрее других. Они сталкиваются, и кинетическая энергия превращается в потенциальную. Повышение потенциальной энергии приводит к тому, что начинается реакция и энергия системы возрастает. Если произошло превращение достаточного количества кинетической энергии, то достигается вершина энергетического барьера, т. е. максимум потенциальной энергии, а затем она начинает уменьшаться.

При этом потенциальная энергия превращается обратно в кинетическую до тех пор, пока не достигается уровень потенциальной энергии образующихся в результате реакции веществ. Потенциальная энергия продуктов реакции меньше потенциальной энергии исходных веществ, и конечный энергетический уровень ниже исходного. Этому суммарному уменьшению потенциальной энергии должно соответствовать увеличение кинетической энергии. Новые частицы разлетаются в разные стороны, и, поскольку они движутся быстрее, чем частицы, из которых они образовались, наблюдается повышение температуры. Тепло отдается окружающему пространству.

Реакция с бромом, приведенная на рис. 2.3, протекает в основном по тому же пути. Однако в этом случае потенциальная энергия продуктов реакции больше, чем исходных веществ, так что конечный энергетический уровень выше исходного. Поскольку в данном случае новые частицы обладают меньшей кинетической энергией, чем частицы, из которых они образовались, и, следовательно, движутся медленнее, то наблюдается понижение температуры и тепло необходимо брать из окружающего пространства.

В каждой из этих реакций происходит большое число столкновений, энергия которых недостаточна для достижения вершины энергетического барьера. Эти столкновения безрезультатны, и энергия системы остается без изменений.

Рис. 2.2. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (экзотермическая реакция).

Рис. 2.3. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (эндотермическая реакция).

Многие столкновения, хотя и дают достаточное количество энергии, но происходят тогда, когда молекулы не ориентированы соответствующим образом. Энергия системы возрастает, но реакция не протекает по нужному направлению.

Разность между уровнями обеих впадин на кривой рис. 2.3 — это, конечно, различие между энергетическим уровнем исходных веществ и вершиной энергетического барьера характеризует Рассматриваются только эти различия, а не абсолютное значение энергии на любой стадии реакции. Даже не учитываются относительные уровни реагирующих веществ при реакциях с хлором и бромом. Необходимо только знать, что в реакции с хлором подъем составляет 4 ккал и конечный уровень на 1 ккал ниже, чем исходный; при реакции с бромом подъем составляет 18 ккал и конечный уровень на 15 ккал выше исходного.

Скорость реакции определяется высотой подъема а не разностью между исходным и конечным уровнями При переходе к более низкому уровню конечных веществ высота подъема может быть очень большой, но может быть и незначительной или даже совсем отсутствовать. При переходе к более высокому конечному уровню энергетический барьер не может быть ниже этого уровня, т. е. для эндотермической реакции должна быть по крайней мере такой же, как .

Энергетические диаграммы, приведенные на рис. 2.2 и 2.3, дают представление не только о рассматриваемой реакции, но и об обратной реакции. Рассмотрим обратную реакцию, т. е. пройдем справа налево, например, на рис. 2.2. Реакция

имеет энергию активации 5 ккал поскольку в этом случае подъем происходит с более низкого уровня. Это, конечно, эндотермическая реакция, причем ккал

Рис. 2.4. Изменение потенциальной энергии в процессе реакции (простая диссоциация).

Аналогичное рассмотрение рис. 2.3 показывает, что реакция

имеет энергию активации 3 ккал и является экзотермичной, ккал

В реакциях, аналогичных расщеплению молекулы хлора на атомы

связь разрывается, но новых связей не образуется. В обратной реакции при соединении атомов хлора

не происходит разрыва связей и, следовательно, можно ожидать, что она будет протекать очень легко, вообще без энергии активации. Считается, что это в общем правильно для реакций соединения двух свободных радикалов.

Если на кривой изменения потенциальной энергии реакции соединения атомов хлора в молекулу максимум отсутствует, а имеется только плавный спуск, то для разрыва молекулы хлора на атомы на кривой должен быть только подъем, как показано на рис. 2.4. Энергия активации для разрыва молекулы хлора, следовательно, равна т. е. 58 ккал Полагают, что такое равенство Еакт и обычно соблюдается при диссоциации молекул на радикалы.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление