2.18. Энергия активации

Для того чтобы понять, что же в действительности происходит в ходе химической реакции, рассмотрим более подробно конкретный пример — атаку молекулы метана атомами хлора

Это относительно простая реакция: она происходит в газовой фазе и, таким образом, не осложняется присутствием растворителя; в данном случае происходит взаимодействие одного атома с простейшей органической молекулой. Несмотря на это, можно вывести основные положения, которые применимы к любой реакции.

Что же необходимо для того, чтобы произошла эта реакция?

Во-первых, должны столкнуться атом хлора и молекула метана. Поскольку силы химического взаимодействия проявляются на очень малых расстояниях, то связь хлор — водород может образоваться лишь при условии, что атомы находятся очень близко.

Во-вторых, это столкновение должно быть эффективным, т. е. при этом должно выделиться некоторое минимальное количество энергии. Можно было бы ожидать, что количество освобождающейся при образовании связи энергии, равное 103 ккал/моль будет достаточно, чтобы разрушить менее прочную связь однако это не так. Разрыв и образование связи, очевидно, не являются совершенно синхронными процессами, и энергия, освобождающаяся в результате одного процесса, не полностью используется в другом. Для того чтобы реакция прошла, оказалось, требуется еще 4 ккал/моль

Минимальное количество энергии, получаемое при столкновении, которое необходимо для осуществления реакции, называется энергией активации Источником этой энергии служит кинетическая энергия движущихся частиц. Большинство столкновений дает меньше энергии, чем это минимальное количество, и поэтому безрезультатно: сталкивающиеся частицы просто разлетаются в разные стороны. Только жесткие столкновения между частицами, одна из которых или обе движутся необычно быстро, обладают

достаточной энергией, чтобы вызвать реакцию. В данном примере при приблизительно одно столкновение из 40 дает достаточно энергии.

В-третьих, помимо того, что столкновения должны сообщать достаточное количество энергии, они еще должны происходить, когда частицы ориентированы соответствующим образом. В момент столкновения молекула метана должна быть повернута таким образом, чтобы подставить атом водорода под полную силу удара. В данном примере только одно столкновение из восьми имеет нужную ориентацию.

В общем случае для химической реакции требуется столкновение молекул, обладающих достаточной энергией и соответствующей ориентацией. Энергия активации существует почти для каждой реакции с разрывом связей, даже для экзотермической реакции, в которой в результате образования связей освобождается больше энергии, чем требуется для разрыва связей.

В отличие от реакции с хлором атака метана атомами брома — эндотермическая реакция, ккал

Разрыв связи требует, как и в предыдущем случае, 102 ккал/моль но при образовании связи освобождается только 87 ккал Даже если бы вся эта энергия расходовалась для разрыва связи, то по крайней мере еще 15 ккал необходимо было бы получить из столкновений. Другими словами, эндотермической реакции должна быть по крайней мере такой же, как Энергия активации данной реакции на самом деле немного больше, чем что в общем справедливо.