شیمی علم تغییر است. اما چرا واکنش های شیمیایی رخ می دهد؟ چرا مواد شیمیایی با یکدیگر واکنش نشان می دهند؟

پاسخ در ترمودینامیک و سینتیک است. این دو بدون شک مهمترین مفاهیمی هستند که در شیمی باید درک کرد.

اما گاهی اوقات، حتی پس از چندین سال آموزش مقدماتی شیمی، نمی توان به راحتی تصویر روشنی از نحوه کنترل واکنش پذیری آنها ایجاد کرد!

بررسی آموزش: مطالب و مقدمه

در این آموزش سعی می کنیم این دو مفهوم را معرفی و خلاصه کنیم و مفاهیم آنها در واکنش پذیری شیمیایی چیست. این بدیهی است که مقدمه ای است که برای دانشجویان شیمی در تمام سطوح در نظر گرفته شده است.

مطمئناً، توضیحات جامع تری وجود دارد، و اگر می خواهید، یکی از شناخته شده ترین کتاب های شیمی عمومی یا یک کتاب درسی شیمی آلی خاص تر را بگیرید. با این حال، ما دریافتیم که توضیحات کوتاه زیادی برای عموم علمی وجود ندارد. این به نوعی نگران کننده است، زیرا بدون درک اولیه از ترمودینامیک و سینتیک، هیچ راهی برای درک اصول اولیه واکنش پذیری وجود ندارد. و بدون درک واکنش پذیری، مهم ترین بخش شیمی را از دست می دهید.

اما اگر واقعاً می‌خواهید در مفاهیم شیمی فیزیک به این شکل غواصی کنید، متأسفانه خواهید دید که بیشتر کتاب‌ها می‌توانند بدون درک اولیه از ریاضیات، فیزیک و شیمی غیرقابل نفوذ باشند.

این چیزی است که ما می خواهیم با این آموزش کوتاه برطرف کنیم. برای اینکه یک نمای کلی در مورد چرایی واکنش ترکیبات شیمیایی به شما ارائه دهیم. ما می‌خواهیم دروازه‌بانی را که همیشه با شیمی آلی فیزیکی در جریان بوده است، بشکنیم!

همانطور که گفته شد، این به طور مختصر در نظر گرفته شده است. ما با تعاریف اولیه شروع می‌کنیم و امیدواریم که شما را به درک پروفیل‌های انرژی آزاد واکنش‌های کاتالیزوری برسانیم.

هنوز علاقه مندید؟ به خواندن ادامه دهید!

سلب مسئولیت سریع: از آنجایی که پیشینه من در شیمی آلی است، توضیحات را بر اساس واکنش های شیمیایی آلی ساده قرار می دهم، اما بیشتر اصول کلی برای هر نوع واکنش شیمیایی اعمال می شود.
برای بیشتر نمودارهای انرژی، مقادیر انرژی جهت‌گیری هستند و به منظور توضیح مفاهیم ساخته شده‌اند.

 

ترمودینامیک: پایداری انرژی مولکول ها

ترمودینامیک شاخه ای از فیزیک است که به گرما، کار و دما و رابطه آنها با انرژی، تابش و خواص فیزیکی ماده می پردازد.

این همان تعریف ترمودینامیک است. همانطور که می بینید، این یک مفهوم فوق العاده گسترده است. فعلا فراموشش کنیم چگونه ترمودینامیک دیکته می کند که چرا مواد شیمیایی واکنش نشان می دهند؟

خوب، تصور کنید هر مولکول متفاوتی دارای یک ارزش مرتبط با انرژی باشد.

برخی از مولکول ها انرژی بزرگتر و برخی دیگر انرژی کمتری خواهند داشت. سپس در نظر بگیرید که هر سیستم شیمیایی تمایل دارد به سمت پایین‌ترین انرژی ممکن و در واقع پایدارترین نقطه حرکت کند. این بدان معناست که یک مولکول با انرژی بالا (کمتر پایدار) تمایل دارد (یا “می خواهد واکنش نشان دهد”) به مولکول دیگری با انرژی کمتر (پایدارتر) تبدیل شود.

چرا اینطور است؟ زیرا فرآیند رفتن از حالت پرانرژی به حالت انرژی کمتر باعث آزاد شدن انرژی یا گرما می شود که به آن فرآیند گرمازا می گویند. این همان چیزی است که ما آن را فرآیند ترمودینامیکی مطلوب می نامیم و اساساً این چیزی است که قوانین ترمودینامیک به ما می گویند.

پایداری ترمودینامیکی در نمودارهای انرژی

این ساده تر از آن است که ممکن است به نظر برسد. تصویر زیر آنچه را که خواندید نشان می دهد. مولکول A می‌تواند به دو روش واکنش نشان دهد: با جذب گرما می‌توان آن را به 1 تبدیل کرد. همچنین، می‌تواند با آزاد کردن انرژی، به روشی مطلوب از نظر ترمودینامیکی، به 2 تبدیل شود. البته، اگر اینها تنها دو سناریوی ممکن بودند، همه مولکول‌های A واکنش نشان می‌دهند و 2 می‌دهند و برای همیشه در آنجا می‌مانند. اما تصویر معمولاً به این سادگی نیست و ما بعداً به آن باز خواهیم گشت.

نمایش کلی دو مسیر ممکن انرژی یک مولکول.

ممکن است به تصویر بالا نگاه کنید و هنوز منظور ما از انرژی بالاتر یا کمتر را متوجه نشده باشید. اجازه دهید آن را به گونه‌ای دوباره ترسیم کنم که احتمالاً در جای دیگری دیده‌اید، یا در مدرسه/دانشکده تدریس شده‌اید:

پایداری ترمودینامیکی ایزومرهای همان آلکن.

طرح فوق شبیه چیزی است که همیشه در دوره های مقدماتی شیمی آلی به شما آموزش داده می شود: ایزومرهای جایگزین بیشتر آلکن ها پایدارتر هستند (A و 2 در مقابل 1) و ایزومرهای ترانس پایدارتر از ایزومرهای cis (2 در مقابل A) هستند.

این چه معنا دارد؟ این بدان معناست که، با توجه به شرایط یا شرایط مناسب، هر دو 1 و A می‌خواهند برای دادن 2 واکنش نشان دهند. اما اکنون که آلکن‌های کم‌ثبات‌تر مانند 1، کاملاً بی‌اثر هستند و می‌توان آنها را بدون نگرانی مدیریت و ذخیره کرد. بنابراین، معامله در اینجا چیست؟

پاسخ سینتیک و موانع فعال سازی است.

سینتیک: موانع واکنش پذیری شیمیایی

قبل از غواصی در سینتیک، اجازه دهید مثال سریع دیگری از یک فرآیند ترمودینامیکی مطلوب را ارائه کنم. نمودار انرژی یک واکنش جایگزینی Sn2 در این مورد.

ترمودینامیک یک جایگزین انرژی مطلوب واکنش نشان می دهد

یون.

همانطور که می بینید، اگر انرژی آنیون هیدروکسید به اضافه یک مولکول کلرومتان را صفر قرار دهیم (در نمودارهای انرژی همیشه انرژی را برای کل سیستم تنظیم می کنید، نه مولکول های منفرد)، انرژی کل محصولات واکنش Sn2 مربوطه. (ترت بوتیل الکل و یک آنیون کلرید) کمتر خواهد بود (حدود 20 کیلو کالری در مول کمتر!).

این یعنی چی؟ اینکه واکنش از نظر ترمودینامیکی مطلوب است و اصولاً برعکس انجام نخواهد شد.

اما آیا این بدان معناست که مخلوط کردن هیدروکسید با کلرومتان در هر دمایی منجر به تشکیل فوری ترت بوتیل الکل و کلرید می شود؟ البته که نه! سرعت انجام واکنش مستقیماً به دما بستگی دارد و اگر دما به اندازه کافی پایین باشد، واکنش به هیچ وجه انجام نخواهد شد، حتی اگر فرآیند از نظر ترمودینامیکی مطلوب باشد.

چرا اینطور است؟ سینتیک پاسخ است.

سینتیک واکنش شیمیایی چیست؟

سینتیک شیمیایی یا واکنش شاخه ای از شیمی فیزیک است که سرعت (یا سرعت) واکنش های شیمیایی را مطالعه می کند.

به طور خلاصه، ترمودینامیک تعیین می کند که یک واکنش شیمیایی در چه جهتی انجام می شود، و سینتیک سرعت یا سرعتی را که در آن فرآیند رخ می دهد، تعیین می کند.

البته در آخرین طرح قسمت قبل چیزی کم بود. در یک واکنش شیمیایی، واکنش دهنده A به سادگی به محصول B تبدیل نمی شود. واکنش ها از طریق آنچه ما حالت های گذار می نامیم انجام می شود.

حالات گذار ساختارهای میانی بین واکنش دهنده ها و محصولات یک مرحله واکنش شیمیایی هستند. آنها معمولاً از نظر انرژی بالاتر (پایدارتر) از واکنش دهنده ها و محصولات هستند، و اختلاف انرژی بین واکنش دهنده ها و حالت های گذار، که به عنوان انرژی فعال سازی نیز شناخته می شود، مانعی است که برای غلبه بر یک واکنش ترمودینامیکی مطلوب لازم است. محل.

چرا مواد شیمیایی واکنش نشان می دهند؟ ترکیب ترمودینامیک و سینتیک

در زیر نسخه کاملی از نمودار انرژی آزاد واکنش جایگزینی Sn2 را ببینید. همانطور که می بینید، این فرآیند از نظر ترمودینامیکی مطلوب است، اما برای رسیدن به محصولات باید بر سد یا انرژی فعال سازی 23.0 کیلو کالری در مول غلبه کرد.

مشخصات انرژی آزاد یک واکنش جایگزینی Sn2.

هر چه انرژی فعال سازی بیشتر باشد، سرعت یا سرعت واکنش در هر دمای معین کمتر می شود. معمولاً محدودیتی در حدود 25 کیلو کالری در مول تعیین می کنیم تا واکنش ها با سرعت قابل توجهی (یعنی در چند ساعت یا چند روز) در دمای 25 درجه سانتیگراد انجام شوند. به اندازه کافی آسان برای به خاطر سپردن.

پایداری در مقابل بی اثری

مهم نیست که یک فرآیند چقدر از نظر ترمودینامیکی مطلوب باشد، اگر موانع برای رسیدن به انتقال متناظر خیلی زیاد باشد (مثلاً بالاتر از 30-40 کیلوکالری در مول)، آن واکنش شیمیایی تحت شرایط منظم انجام نخواهد شد.

این به ما اجازه می دهد تا بین پایداری و بی اثری به عنوان خواص مواد شیمیایی شفاف سازی کنیم.

پایداری یک مفهوم ترمودینامیکی است، در حالی که اینرسی یک مفهوم جنبشی است.

یک ترکیب پایدار است، اگر انرژی نسبتاً کمی داشته باشد (در مقایسه با مولکول هایی که ممکن است به آنها تبدیل شود). برعکس، ناپایدار و پر انرژی خواهد بود.
از طرف دیگر، ما می گوییم که یک ترکیب از نظر جنبشی بی اثر است اگر برای واکنش باید بر موانع فعال سازی بزرگ غلبه کند.

یک ترکیب می تواند هم ناپایدار و هم بی اثر باشد. به همین دلیل است که می‌توانیم آلکن‌های اولیه ناپایدار ترمودینامیکی مانند 1-پروپن را بدون ایزومریزه شدن آنها به آلکن‌های ثانویه پایدارتر مانند سیس یا ترانس-2-پروپن نگهداری کنیم (دو طرح اول را ببینید).

اما ما می توانیم سینتیک را فریب دهیم! کاتالیزورها را می توان برای کاهش انرژی فعال سازی دگرگونی های شیمیایی مورد استفاده قرار داد و به آنها اجازه داد تا با سرعت بیشتری پیش بروند یا به سادگی ادامه دهند!

نکته: از نظر تئوری، مهم نیست که انرژی فعال سازی یک فرآیند چقدر بالا باشد، می گوییم که همیشه با سرعت مشخصی انجام می شود. با این حال، اگر موانع انرژی بالاتر از مثلاً 50 کیلوکالری در مول باشند، سرعت یا سرعت واکنش آنقدر کم خواهد بود که سال‌های زیادی طول می‌کشد تا بتوانیم یک تبدیل قابل توجه را تشخیص دهیم.
کاتالیز: کاهش سد!

اکنون که می دانیم چرا مواد شیمیایی واکنش نشان می دهند، اجازه دهید توضیح دهم که چگونه ما شیمیدان ها سعی می کنیم سیستم را نادیده بگیریم و موانع فعال سازی را کاهش دهیم.

کاتالیزور یک موجود شیمیایی است (یک مولکول، یک نمک، یک مجتمع هماهنگی…) که یک واکنش شیمیایی را سرعت می بخشد. همچنین می‌تواند مسیرهای واکنش‌پذیری جدید را باز کند و واکنش‌هایی را انجام دهد که در غیر این صورت ممکن نبود.

بیایید یک مثال کلاسیک خاص را در نظر بگیریم. جایگزینی معطر الکتروفیل بنزن با برم مولکولی (Br-Br). این واکنش به طور سنتی با استفاده از اسید لوئیس به عنوان کاتالیزور، مانند تری برومید آهن انجام می شود.

اما اجازه دهید ابتدا یک نسخه بدون کاتالیزور از فرآیند را تصور کنیم، که من مطمئن هستم اگر بنزن و برم را با هم مخلوط کنید و آن را به اندازه کافی گرم کنید، می تواند رخ دهد.

واکنش های حرارتی و بدون کاتالیزور چگونه رخ می دهد

اولین گام این واکنش، تشکیل میانجی معروف Wheland است. یک حالت متوسط ​​(نباید با یک حالت گذار اشتباه گرفته شود، که نه

Nects Intermediates با هم) یک گونه شیمیایی واکنش پذیر است که در یکی از مراحل وسط واکنش شیمیایی A منتهی به B به عنوان نقطه میانی تشکیل می شود. برای اینکه بنزن به برموبنزن تبدیل شود، باید از این گونه میانی عبور کند. واسطه ها به ندرت قابل جداسازی هستند، زیرا معمولاً از نظر ترمودینامیکی ناپایدار و از نظر جنبشی واکنش پذیر هستند.

در هر صورت، واکنش دهنده ها باید بر سد فعال سازی بالای 30 کیلوکالری در مول غلبه کنند. هنگامی که دما برای انجام این کار کافی باشد، بقیه فرآیند دارای موانع فعال سازی کمتری است و در سراشیبی انجام می شود تا محصولات واکنش در یک فرآیند کلی ترمودینامیکی مطلوب (گرماداز 11- کیلوکالری در مول) انجام شود.

جایگزینی معطر الکتروفیل گرمایی یا بدون کاتالیزور.

اما ما می توانیم با یک کاتالیزور سرعت کار را افزایش دهیم!

جایگزین های معطر الکتروفیل کاتالیز شده با اسید لوئیس

با افزودن یک کاتالیزور به مخلوط، می‌توانیم به حالت‌های انتقال جدیدی دسترسی پیدا کنیم که پایدارتر و در نتیجه انرژی کمتری دارند. و چه اتفاقی می‌افتد وقتی حالت گذار مرحله محدودکننده سرعت یک واکنش از نظر انرژی کمتر باشد؟ که سد فعال سازی کل فرآیند بسیار کمتر است!

این اساساً نقش FeBr3 (کاتالیزور) این واکنش است: حالت های گذار و واسطه ها را تثبیت می کند. اکنون سد فعال سازی برای رسیدن به اولین حالت گذار بسیار کمتر است (20 در مقابل 30 کیلوکالری در مول)، که اجازه می دهد واکنش در شرایط ملایم انجام شود.

مشخصات انرژی آزاد یک جایگزین آروماتیک الکتروفیل کاتالیز شده با فلز.

همچنین توجه داشته باشید که FeBr3 بدون واکنش با محصولات بازیابی می شود. این یکی دیگر از ویژگی های کاتالیزورها است: آنها را می توان بازیابی کرد و دوباره وارد چرخه واکنش دیگری شد. به همین دلیل است که آنها اغلب در مقادیر زیر استوکیومتری به کار می روند (به این معنی که کمتر از یک مول کاتالیزور برای تبدیل کامل یک مول ماده اولیه کافی است).

اما همانطور که قبلاً ذکر کردیم، به لطف کاتالیزور نه تنها می‌توانیم موانع فعال‌سازی را که به دماهای کاملاً غیرعملی نیاز دارند، کاهش دهیم. ما همچنین می‌توانیم واکنش‌هایی را که صدها سال طول می‌کشد تا خود به خود تکمیل شوند، باز کنیم. ما همچنین می‌توانیم به گزینش‌پذیری‌های کاملاً جدیدی دست پیدا کنیم و فرآیندهای شیمیایی جدیدی را توسعه دهیم.

من خودم در کاتالیزور کار می کنم و می توانم به شما بگویم این یکی از مهم ترین، هیجان انگیز ترین و فعال ترین رشته های شیمی است.

این پایان این بررسی آموزشی است، و امیدوارم به شما کمک کرده باشد تا تصویر واضح‌تری از چرایی واکنش‌های شیمیایی و آنچه که مواد شیمیایی را به واکنش سوق می‌دهد به دست آورید. اگر در حال یادگیری شیمی در هر سطحی هستید، ما مطمئناً مفاهیمی را که باید به آنها مسلط شوید، پوشش دادیم!