Энергия активации.

Чтобы произошла химическая реакция между частицами (атомами, молекулами, ионами), необходимо их столкновение. Но не каждое столкновение частиц приводит к взаимодействию. Оно имеет место лишь в случае, когда частицы сближаются на такое расстояние, при котором происходит перекрывание их электронных облаков, а следовательно, и перераспределение электронной плотности; при этом одни связи разрушаются, а другие образуются.

При образовании химической связи электронная структура получившихся частиц принимает такую конфигурацию, которая отвечает наибольшей энергии связи. Это может произойти при условии преодоления сил отталкивания (или так называемого «энергетического барьера») между реагирующими частицами. Силы отталкивания могут быть преодолены частицами, обладающими повышенным запасом энергии. Такие реакционноспособные частицы, обладающие определенным избытком энергии (по сравнению со средней величиной энергии всех частиц, характерной для данной температуры), называются активными. Такими молекулами могут быть: наиболее «быстрые», т. е. обладающие в момент столкновения большой кинетической энергией, возбужденные — у которых некоторые электроны находятся на более высоком энергетическом уровне (а не на нормальном); молекулы, внутреннее строение которых (например, расстояние между атомными ядрами) отличается от наиболее устойчивого состояния. Эти частицы обладают большой кинетической энергией, увеличенным расстоянием между атомными ядрами и др.

Наименьшая энергия активирования исходных частиц, необходимая для того, чтобы могла произойти реакция, называется энергией активации. Она является основным фактором, определяющим скорость той или иной реакции, а именно: чем больше энергия активации, тем медленнее протекает реакция, и наоборот, чем меньше энергия активации, тем быстрее при данной температуре будет протекать процесс.

При столкновении частиц вначале они могут сблизиться настолько, что на короткое время их связи делокализуются (смещаются) и возникает так называемое переходное состояние. Затем происходит новая локализация связей и образование новых частиц.

Если из вступающих в реакцию частиц одна — молекула, а вторая — одновалентный атом или радикал, то для преодоления сил отталкивания требуется небольшая энергия активации. Поэтому молекула может реагировать с атомом или радикалом при сравнительно невысоких температурах. Напротив, если сталкиваются две молекулы, у которых спины электронов скомпенсированы (т. е. они прочны), то для преодоления сил отталкивания и проведения реакции необходима значительно большая активация. Разумеется, при этом процессе потребуется и более высокая температура.

Реакции с энергиями активации 41,86 кдж/кмоль (10 ккал/моль) при обычных температурах протекают, как правило, неизмеримо быстро, а при энергиях активации более 125,60 кдж/кмоль (30 ккал/моль), наоборот, — неизмеримо медленно.

В процессе химической реакции вступающие во взаимодействие реагенты претерпевают энергетические изменения. В процессе превращения начальных реагентов в продукты (бимолекулярной) реакции, энергия всей системы возрастает, проходит через максимум — «энергетический» или «потенциальный барьер», соответствующий переходному состоянию (его называют активированным комплексом), после чего система быстро теряет энергию и образуются конечные продукты реакции.

Переходным состоянием, или активированным комплексом, называется такая конфигурация атомов (и связь), возникающая в ходе элементарного акта реакции, которая отвечает максимальному значению потенциальной энергии реагирующей системы.

В зависимости от силы взаимодействия реагирующих частиц переходное состояние может изменяться в двух направлениях. Если энергия столкновения вступающих в реакцию компонентов слишком мала, то образующееся вещество в переходном состоянии распадается на исходные вещества; если же столкновение достаточно сильно, то в переходном состоянии возникают новые связи и образуются новые вещества.

Скорость протекания реакции зависит от разницы между энергией переходного состояния и той, которую имели исходные реагенты. Если эта разница мала, то за определенный отрезок времени через переходное состояние пройдет большое число частиц (молекул) и, следовательно, скорость реакции будет высокой; напротив, если разница велика, то за тот же отрезок времени активационный барьер преодолеет незначительное число реагирующих частиц и реакция, если и будет протекать, то медленно.

Всякое воздействие на реакцию, снижающее энергию активации, соответственно увеличивает число активных молекул и повышает ее скорость.

Важнейшими факторами, определяющими скорость химической реакции (как будет показано ниже), являются: концентрация реагирующих веществ, температура, катализатор и для газовых реакций — давление.

Теплота реакции зависит от разности энергий исходных веществ и конечных продуктов реакции. Если внутренняя энергия начальной системы больше внутренней энергии конечной системы, то разность энергии выделяется в виде тепла. Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими.

Если внутренняя энергия начальной системы меньше конечной, то для протекания реакции требуется приток энергии извне (сопровождается поглощением теплоты). Реакции, протекающие с поглощением тепла, называются эндотермическими.

Экзотермические реакции, начавшись, протекают самопроизвольно, а эндотермические требуют непрерывного поступления энергии.