Pytanie:
Co dzieje się z cząsteczką podczas reakcji?
Noel
2016-08-03 20:20:29 UTC
view on stackexchange narkive permalink

I recently learned about the graph of activation energy that looks like this (source):

Activation energy graph

I was wondering, what actually happens to the reactants as time passes on the graph? If we were to look at the molecules when the graph was at its peak, what would we see? And lastly, can the reaction be stopped somewhere in between, say at the peak, or does it always have to stop either at one end as a reactant, or at the other as a product?

Oś pozioma na wykresie to nie czas, ale [współrzędna reakcji] (https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_coordinate). Czy wiesz, jakie są potencjalne powierzchnie energetyczne?
W rzeczywistości jest to związane z pracą Ahmeda Zewaila: wymyślił on metody (błyski lasera o długości femtosekundowej) umożliwiające obserwację tak zwanego „stanu przejściowego” reakcji. Popularną relację samego Zewaila można zobaczyć [tutaj] (http://www.zewail.caltech.edu/SciAm.pdf).
@Hotoke-san Nie próbuj obchodzić wymagań dotyczących reputacji, zostawiając komentarze jako odpowiedzi. Zasadniczo mam zwyczaj kasować takie odpowiedzi, ale jest to potencjalnie przydatna informacja. Nie próbuj tego w przyszłości.
@jonsca Ten komentarz wydaje mi się właściwą odpowiedzią: może nie jest dobra, ale mimo wszystko odpowiedź.
@OrangeDog Nie zgadzam się z tym. Nie dotyczy on pytania `` Zastanawiałem się, co właściwie dzieje się z reagentami w miarę upływu czasu na wykresie? Co byśmy zobaczyli, gdybyśmy spojrzeli na cząsteczki, gdy wykres był na szczycie? I wreszcie, czy reakcję można zatrzymać gdzieś pomiędzy, powiedzmy na szczycie, czy też zawsze musi się ona zatrzymywać albo na jednym końcu jako reagent, albo na drugim jako produkt? ”W ogóle i nawet jeśli tak się stało bezpośredni sposób, wymaga od czytelnika przejścia do zewnętrznego linku, aby to ustalić.
Pięć odpowiedzi:
Ivan Neretin
2016-08-03 21:09:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Well, a lot of things happen to the reactants. Some bonds stretch (and maybe eventually break), the others shrink, and your molecules morph into different molecules, which are the products.

A simple reaction

(source)

As for staying at the very peak, that would be kinda unnatural, but luckily, not every peak looks like this; sometimes there is a tiny dent near the top, and with some effort you might be able to stop your reaction right there, that is, to isolate the activated complex. The discovery of its structure may shed some light on the reaction mechanism and earn you a lot of likes from your colleagues.

Dziwne - nadal nie działa, więc oczywiste wyjaśnienie tymczasowego błędu serwera nie ma zastosowania. W każdym razie dziękuję za sprawdzenie: nie widzę nic innego, co możemy zrobić.
Czy to przynajmniej wskazuje na www.visichem.thelearningfederation.edu.au/topic04.html?
Tak. Ale dla mnie daje to stronę, której źródłem są dosłownie słowa „Nie znaleziono pliku” bez znaczników ani niczego. W rzeczywistości otrzymuję to samo dla każdego adresu URL w tej domenie, w tym www.visichem.thelearningfederation.edu.au/.
Rzeczywiście dziwne. Wygląda na to, że z jakiegoś niezgłębionego powodu doszło do dyskryminacji ze względu na własność intelektualną.
Dzięki! Ta animacja działała dobrze i naprawdę pomogła mi wyobrazić sobie, co dzieje się w reakcji. Myślę, że wyobrażałem sobie wiązania jako fizyczne, trwałe połączenia, podczas gdy w rzeczywistości są one po prostu przyciąganiem między dwiema cząsteczkami. Aktywowany kompleks też brzmi naprawdę interesująco :)
Proszę podać jeden przykład, w którym rzeczywiście można zaobserwować stan przejściowy. Termin aktywowany kompleks pochodzi właśnie z wcześniejszej wersji teorii stanu przejściowego. Ilekroć masz lokalne minimum, możesz je zaobserwować, stan przejściowy, z definicji, którego nie możesz obserwować.
Nie można również znaleźć pliku źródłowego. Upewnij się, że możesz go użyć zgodnie z prawem autorskim, które zapewnia nasza witryna. W każdym przypadku oryginalne prawa autorskie powinny dojrzewać zgodnie z cc-by-nc-sa.
Cóż, jak powiedziałem, półproduktu nie można wyodrębnić, chyba że odpowiada on lokalnemu minimum na potencjalnej powierzchni, jakkolwiek niewielkim (wspomniane „wgniecenie”), w takim przypadku przykładów jest mnóstwo. (A tak przy okazji, jakie jest właściwe określenie? _ „Aktywowany kompleks” _ rzeczywiście brzmi trochę staroświecko.) Oczywiście masz rację, że system nie pozostanie na _ „szczycie wzgórza” _ stan.
Jeśli chodzi o kwestie związane z prawami autorskimi, przepraszam, w ogóle tego nie rozumiem. Co to jest cc-by-nc-sa i co powinienem zrobić oprócz pozostawienia linku do strony źródłowej?
Szczyt energii aktywacji nazywany jest punktem metastabilnym. Teoretycznie może trwać wiecznie, ponieważ nic nie zachęca go do pójścia w jedną lub drugą stronę. W praktyce taki system nigdy nie jest idealnie wyważony, a metastabilność jest niezwykle trudna do zauważenia. Metastabilność jest poważniejszym problemem w innych dyscyplinach, takich jak elektrotechnika, gdzie możliwe jest przypadkowe stworzenie trwalszych metastabilności, co powoduje problemy.
@IvanNeretin Czy aktywowany kompleks może powrócić do reagentów?
@ado Tak, może.Co więcej, nawet _produkty_ mogą powrócić do aktywowanego kompleksu, a następnie do reagentów.
@IvanNeretin Kiedy powstaje aktywowany kompleks, prawdopodobieństwo, że trafi on do reagentów lub produktów jest takie samo (1/2)?
Nie, w przeciwnym razie wszystkie reakcje zatrzymałyby się dokładnie w połowie.
porphyrin
2016-08-09 00:09:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Normalnym sposobem rysowania profilu reakcji jest umieszczenie bariery między reagentami a produktami, tak jak pokazano w pytaniu. Jako szczyt bariery jest stan przejściowy . Ścieżka reakcji zwykle nie jest dobrze zdefiniowana jako taka, ponieważ istnieje wiele kątów wiązania i odległości, które zmieniają się podczas reakcji, niemniej jednak ta koncepcja ścieżek jest bardzo przydatna w zrozumieniu tego, co się dzieje. To, co pokazuje rysunek, a także ładna animacja, to to, że reagenty zbliżają się, występuje jakaś interakcja, a następnie powstają produkty. Jednak obraz (lub animacja) nie mówi nam, jak to się dzieje i jakie są ważne czynniki, pozostawia się wyobraźni.

Po pierwsze, reagenty muszą uzyskać wystarczającą ilość energii, aby osiągnąć stan przejściowy na szczycie bariery. Średnia energia reagentów jest zwykle przedstawiana jako linia po lewej stronie rysunku ze słowem reagenty. Ta energia jest zwykle znacznie mniejsza niż wysokość bariery (z wyjątkiem reakcji kontrolowanych dyfuzją, patrz poniżej), a to oznacza, że ​​w większości przypadków zderzają się reagenty nie zachodzi reakcja. Po prostu nie ma wystarczającej ilości energii, aby zareagować, niezależnie od tego, czy reakcja jest endotermiczna czy egzotermiczna.

Teraz, ponieważ cząsteczka znajduje się w roztworze lub w fazie gazowej pod pewnym rozsądnym ciśnieniem obojętnego gazu buforowego, wiele zderzeń na sekundę będzie miało miejsce między reagentami a rozpuszczalnikiem (lub gazem buforowym. co najmniej 10 ^ {12} s ^ {- 1} $. Tylko od czasu do czasu, być może 1 na 10 ^ 9 $ zderzeń, będzie wystarczająco energetyczny, aby dać reagentom energię wystarczającą do dotarcia do szczytu bariery. stan przejściowy reakcja może wystąpić, pod warunkiem, że reagenty są w prawidłowej orientacji i zderzenie następuje wystarczająco szybko, aby usunąć wystarczającą ilość energii ze stanu przejściowego, a tym samym obniżyć energię, uniemożliwiając reakcję.

Chociaż średnia energia kinetyczna rozpuszczalnika wynosi 3 $ RT / 2 $ na mol, a < 4kJ / mol jest mała, istnieje rozkład energii podany przez rozkład Boltzmanna. Szansa posiadania energii $ E $ jest proporcjonalna do $ exp (-E / (RT)) $, więc jest bardzo mała, jeśli $ E $ wynosi, powiedzmy, 100 kJ / mol i dlatego wiele reakcji ma małe stałe szybkości i dlaczego tak wiele zderzeń jest potrzebnych, zanim zajdzie reakcja.

Po osiągnięciu stanu przejściowego, ponieważ energia jest tutaj znacznie powyżej średniej, to średnio zderzenie z rozpuszczalnikiem usuwa trochę energii, a nie dodaje do niej, iw ten sposób produkt stabilizuje się.

(Podany tutaj opis jest raczej prymitywny, bardziej szczegółowe rozważania prowadzą do modyfikacji Kramersa w teorii stanu przejściowego, a to obejmuje rozważenie `` tarcia '' na współrzędnej reakcji, zarówno od rozpuszczalnika, jak i od drgań wewnętrznych w reagenty utrudniają lub wspierają ruch wzdłuż współrzędnej reakcji.)

W niektórych reakcjach bariera dla reakcji jest bardzo mała, co oznacza, że ​​jest tylko nieznacznie większa niż średnia energia w tej temperaturze. W tym przypadku, gdy reagenty zderzają się ze sobą, następuje reakcja. Szybkość reakcji jest obecnie ograniczona przez to, jak szybko reagenty mogą się zderzać, a jest to określone przez ich stałe dyfuzji, które z kolei zależą od lepkości roztworu. Są to reakcje „kontrolowane dyfuzją”. W tym samym rozpuszczalniku zawsze mają większą stałą szybkości niż reakcja z większą barierą.

Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że eksperymentalny dowód na to, jakie są stany przejściowe, jest rzeczywiście bardzo, bardzo szkicowy. Na ładnej animacji widzimy, jak wiązania rozciągają się i pękają itp., Ale jest to możliwe, oparte na obliczeniach, z pewnością na intuicji chemicznej i poszlakach z eksperymentów chemicznych, ale które nie są badaniami spektroskopowymi w rozdzielczości czasowej. Przyczyną braku możliwości wykrycia stanu przejściowego jest to, że trwa on najwyżej około 10 ^ {- 13} $, a prawdopodobnie mniej, a nawet w reakcjach zapoczątkowanych femtosekundowym impulsem laserowym nie można ich wykryć nawet w reakcjach fotoindukowanych, takich jak fotoizomeryzacja trans-cis stylbenu (difenyloetenu) przypuszczalnie dlatego, że ich stężenie jest niewielkie.

W prostych reakcjach, takich jak O + H $ _2 $ = H + OH, które są przeprowadzane w wiązce molekularnej, możliwy był znacznie większy postęp. Reakcje te są mierzone przy bardzo niskim ciśnieniu gazu, a wiązka atomów przecina wiązkę cząsteczek, a produkty są analizowane spektroskopowo i / lub pod kątem ich energii i rozkładu przestrzennego.

Możliwe jest wykreślenie powierzchni energii potencjalnej jako serii konturów, tak jak na mapie przedstawiającej wzgórza i doliny. Chociaż powierzchnia jest empiryczna, jest obliczana przy użyciu znanych potencjałów wibracyjnych dla cząsteczek dwuatomowych i metody wiązania Heitler-London Valence. (Powierzchnia nazywa się LEPS od London, Eyring, Polanyi i Sato.)

Rysunek 1 przedstawia wykres energii potencjalnej w funkcji separacji OH + H (wzięty ze środka OH) jako rzędnej, a separację O + H $ _2 $ jako odciętą. (Zwróć uwagę, że w obliczeniach przyjęto, że kolizja jest liniowa (tylko koniec na) między O + H $ _2 $, a obroty H $ _2 $ nie są uwzględniane w ustawianiu początkowych parametrów kolizji) Stan przejścia jest w punkcie około (0,12, 0,09) ), żółte kółko. Jest to „punkt siodła”, w którym powierzchnia ma wypukłą krzywiznę wzdłuż ścieżki reakcji i wklęsłą krzywiznę prostopadłą do niej. Ciemnoniebieski kolor przedstawia najniższą energię, żółto-zielony pośredni, a czerwony najwyższy.

O-H2 return

Linia ciągła przedstawia jedną trajektorię liniowa kolizja między O + H $ _2 $ i zaczyna się po prawej stronie figury. Kreskowane linie opisują całkowitą energię, energię zderzenia (kinetyczną) oraz początkową energię drgań w H $ _2 $. Oscylacje w dolinie po prawej stronie pokazują drgania H $ _2 $, gdy zbliżał się on do atomu O. Na rys. 1, chociaż energia całkowita jest wystarczająca, wibracje są takie, że cząsteczka znajduje się w niewłaściwym miejscu na potencjale, ze względu na swoją prędkość początkową i energię wibracji, aby przekroczyć stan przejściowy, a zatem powraca w dół doliny. Nie nastąpiła żadna reakcja.

Na drugim rysunku następuje przekroczenie stanu przejściowego, chociaż całkowita energia jest taka sama, ponieważ wibracje umieszczają reagenty we właściwym miejscu na powierzchni. Drgania produktu OH można zobaczyć w pionowej dolinie. Dlatego ważną kwestią jest to, że nie tylko całkowita energia, ale także orientacja i energia wibracji są ważne w wywoływaniu reakcji.

O-H2 fig 2 transmission

Obserwując energie rotacji i wibracji produktów i reagentów w takich reakcjach, jak te, można ustalić powierzchnię energii potencjalnej. Połączenie ze stałymi szybkości (termicznej) mierzonymi w eksperymentach z normalną kinetyką chemiczną (wiązką niemolekularną) jest dokonywane poprzez obliczenie liczby przejść stanu przejściowego przy danej energii, a następnie uśrednienie energii zderzenia i energii kinetycznej.

Lucademicus
2016-08-04 17:17:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zakładam, że z upływem czasu odnosisz się do przechodzenia przez współrzędną reakcji (oś x na wykresie) od lewej do prawej.

Zaczynamy od lewej strony wykresu, z reagentem. Ten reagent zyskuje wystarczającą ilość energii, aby wspiąć się na wzgórze wykresu. Poczekajmy chwilę: jak to wygląda? Nie wygląda jak produkt, ponieważ jego energia jest wciąż inna. W końcu jest na wzgórzu, a nie w dolinie po prawej, więc też wygląda inaczej. Co więcej, również nie wygląda jak reagent, ponieważ ma inną energię niż reagent, ale zgodnie z postulatem Hammonda wygląda bardziej jak reagent niż jak produkt, ponieważ w energii jest bliżej reagent.

Zatem u góry widać cząsteczkę / strukturę, która bardziej przypomina reagent niż produkt. Ładnie pokazuje to animacja Ivana Neretina.

I wreszcie, czy reakcja może zostać zatrzymana gdzieś pomiędzy, powiedzmy na szczycie, czy też zawsze musi się zatrzymywać na jednym końcu jako reagent , czy z drugiej jako iloczyn?

Oś X lub współrzędna reakcji mówi ci, jak przebiega transformacja z jednej formy do drugiej. Ponieważ szczyt jest tym, czym jest: szczytem, ​​przebywanie na nim nie jest energetycznie korzystne. W chwili, gdy struktura jest na szczycie, wyskoczy ona w lewo lub w prawo. Tak więc tego aktywowanego kompleksu, jak się nazywa, nie można wyizolować w kolbie reakcyjnej.

Dziękuję Ci! Twoja odpowiedź zawierała pewne szczegóły, które nie zostały wyraźnie określone w odpowiedzi Ivana Neretina. To było bardzo pomocne. Interesuje mnie, dlaczego postulat Hammonda jest postulatem. Czy to dlatego, że rzeczywistych cząsteczek nie można zaobserwować w reakcji, czy też dlatego, że istnieją inne, przeciwstawne teorie? @Lucademicus
Li Zhi
2016-08-04 05:37:28 UTC
view on stackexchange narkive permalink

In virtually all cases, there isn't just one distance or variable involved. Perhaps your chemistry classes have taught you that there are three 'types' of molecules? Monoatomic - ie atoms, they have the simplest motions basically just velocity and spin around an axis. So, (ignoring the specifics of the element's electron orbitals configuration) we have a velocity vector (3d) and a spin vector (also 3d). Di-atomic Add to the monos the vibration (variation in bond length) and maybe tumbling (end over end spin) and they aren't much more complex - another spin axis (maybe) and a periodic motion (but you have more orbitals to worry about as well). And then there's everything else. You got waggle, wobble, flapping, all sorts of motions of the nuclei. The energy landscape gets complicated. There is more than one way to get from reactants to products. A simple energy vs "reaction coordinate" (2d) diagram hides all that complexity. Reaction coordinate is like attempting to describe a fight using only impact force. It's not just the force, it's where you apply it. IOW, the 'energy' can be in various modes and still get the job done, while other even more energetic 'collisions/interactions' may have no effect. Best to look at it as an average (and an average which is context dependent, for instance changing solvent can dramatically effect activation energy). You can not really describe general properties of the reaction coordinate. They depend on the details of the reaction too sensitively for useful generalization over the entire subject of chemical reactions. It's a VERY useful and important concept, but it's very fuzzy. Trying to focus on the details is going to require very specialized considerations which aren't generally useful for "general" chemistry. The specifics don't generalize easily.

Prabhat
2016-08-06 16:17:52 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Każdy pierwiastek lub związek reaguje z innymi, aby osiągnąć bardziej stabilny stan, który jest formą o niższej energii. Ale zanim to nastąpi, musimy zainicjować reakcję (jeśli nie jest to umowa, każda reakcja nastąpi automatycznie i osiągną najniższy stan energii w mgnieniu oka i nie będzie żadnej dalszej reakcji, którą możesz zobaczyć w swoim życiu), dając trochę energii, która jest czyniąc go niestabilnym tam, gdzie wykres znajduje się na szczycie, wówczas istniejące wiązanie ulegnie dysocjacji, a elementy składowe znajdą kombinację o najniższej energii i uzyskają tę kombinację, która jest reagentem twojej reakcji. Myślę, że to jest właściwe. ** Jeśli chcesz, jestem gotowy na dalszą pomoc **.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...