Teoria reakcji chemicznych.doc

Teoria reakcji chemicznych     

W niniejszym rozdziale omówimy (bardzo krótko) podstawowe tematy związane z przebiegiem reakcji chemicznych. Mam nadzieję, że nawet taki krótki przegląd problemów związanych z tym zagadnieniem pozwoli na lepsze zrozumienie złożoności tematu i zachęci do głębszego przestudiowania poszczególnych problemów.  

Podstawę do zrozumienia poszczególnych zagadnień stanowi niewątpliwie zrozumienie istoty elementarnego procesu reakcji między dwiema cząsteczkami. Na co dzień mówimy krótko, że cząsteczka A reaguje z cząsteczką B dając w wyniku reakcji cząsteczkę C. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że ten tak krótko ujęty proces jest w rzeczywistości o wiele bardziej złożony i w największym uproszczeniu przebiega następująco:

·         w pewnym miejscu w przestrzeni spotkały się dwie, mogące ze sobą reagować cząsteczki A i B (np. cząsteczka kwasu organicznego i cząsteczka alkoholu); ich energie translacji (ruchu w przestrzeni) muszą być tak dobrane, by cząsteczki "zatrzymały się na chwilę" a nie odbiły się od siebie jak kule bilardowe. Jednym słowem reakcja wymaga, by cząsteczki przebywały obok siebie przez pewien okres czasu (bardzo krótki, ale jednak określony);

·         samo spotkanie, to za mało. Reagują przecież nie cząsteczki jako całość, a jedynie ich elementy, zwane grupami funkcyjnymi. W naszym przykładzie grupa karboksylowa –COOH i alkoholowa –OH. Zatem cząsteczki, aby móc przereagować musza być tak usytuowane wzajemnie w przestrzeni, aby ich grupy funkcyjne mogły się spotkać;

·         jeśli nawet dojdzie do spotkania grup funkcyjnych, to aby reakcja mogła się rozpocząć cząsteczki muszą mieć odpowiednio wysokie energie, pozwalające na przebieg reakcji;

·         wzajemne oddziaływanie elektronów walencyjnych atomów poszczególnych grup funkcyjnych, a pośrednio całych atomów, powoduje rozluźnienie jednych wiązań i zapoczątkowuje powstawanie nowych. Powstaje twór zwany kompleksem aktywnym (AB*), który już nie jest tylko dwiema cząsteczkami A i B, ale nie jest też jeszcze nową cząsteczką C (czyli już nie kwas+alkohol ale jeszcze nie ester);

·         powstały kompleks aktywny może, ale nie musi, przekształcić się w produkt. Jeśli tak się stanie - proces reakcji się zakończy. Może jednak dojść do rozpadu kompleksu aktywnego z powrotem na cząsteczki A i B i w ujęciu makroskopowym - mimo, że reakcja była już w bardzo zaawansowanym stanie - powiemy, że reakcja nie nastąpiła.

 Podane powyżej elementarne etapy procesu reakcji to tylko jego główne elementy. W rzeczywistości jest ich znacznie więcej i wszystkie one w głównej mierze są zdarzeniami losowymi, czyli trywializując, zależą głównie od przypadku.

 Aby móc projektować nowe związki, lub modyfikować metody otrzymywania już znanych (np. dla osiągnięcia niższych kosztów wytwarzania czy technologicznie łatwiejszego przebiegu procesu) należy znać mechanizmy reakcji, przynajmniej tych podstawowych (tzw. procesów jednostkowych). Mechanizm reakcji opisuje przebieg reakcji poprzez opis procesów elementarnych prowadzących od substratów do produktów. Poznaniu mechanizmu reakcji służą badania kinetyczne reakcji. W badaniach kinetycznych staramy się znaleźć zależności (w miarę możliwości funkcyjne) między parametrami procesu chemicznego, takimi jak: stężenie substratów, temperatura reakcji, rozpuszczalniki, katalizatory, a szybkością i wydajnością reakcji.

Trzeba też zdać sobie sprawę z tego, że to co potocznie nazywamy reakcją chemiczną zapisaną schematycznie jako A + B = Z jest najczęściej wieloetapowym procesem, przebiegającym przez stadia pośrednie: A + B = C  C + D = E .....  = Z. Jeżeli stadia pośrednie są krótkotrwałe (np. przejście C ––> Z jest bardzo szybkie w porównaniu z etapem A + B = C), to powierzchowne badania kinetyczne mogą sugerować, że mamy do czynienia z reakcją elementarną a nie procesem reakcji następczych. Generalnie można powiedzieć, że badania mechanizmów reakcji nie należą do najłatwiejszych i najprostszych pod względem eksperymentalnym, natomiast wnioski z nich wypływające są nie do przecenienia, szczególnie dla technologów.

Reaktywność chemiczna                       

     Podstawę do zrozumienia reaktywności danej grupy związków (lub nawet konkretnego związku) stanowi niewątpliwie zrozumienie istoty elementarnego procesu reakcji, omówionego także w rozdziale Wstęp działu dotyczącego reakcji chemicznych. Ograniczmy się do najczęściej spotykanego przypadku reakcji między dwiema cząsteczkami różnych związków: A i B. Na co dzień mówimy krótko, że cząsteczka A reaguje z cząsteczką B dając w wyniku reakcji cząsteczkę C. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że ten tak krótko ujęty proces jest w rzeczywistości o wiele bardziej złożony i nawet w największym uproszczeniu trzeba opisać jego przebieg w kilku punktach:

·         w pewnym miejscu w przestrzeni spotkały się dwie, mogące ze sobą reagować cząsteczki A i B (np. cząsteczka kwasu organicznego i cząsteczka alkoholu); ich energie translacji (ruchu w przestrzeni) muszą być tak dobrane, by cząsteczki "zatrzymały się na chwilę" a nie odbiły się od siebie jak kule bilardowe. Jednym słowem reakcja wymaga, by cząsteczki przebywały obok siebie przez pewien okres czasu (bardzo krótki, ale jednak określony);

·         samo spotkanie, to za mało. Reagują przecież nie cząsteczki jako całość, a jedynie ich elementy, zwane grupami funkcyjnymi. W naszym przykładzie grupa karboksylowa –COOH i alkoholowa –OH. Zatem cząsteczki, aby móc przereagować musza być tak usytuowane wzajemnie w przestrzeni, aby ich grupy funkcyjne mogły się spotkać;

·         jeśli nawet dojdzie do spotkania grup funkcyjnych, to aby reakcja mogła się rozpocząć cząsteczki muszą mieć odpowiednio wysokie energie (energię wewnętrzną), pozwalające na przebieg reakcji;

·         wzajemne oddziaływanie elektronów walencyjnych atomów poszczególnych grup funkcyjnych, a pośrednio całych atomów, powoduje rozluźnienie jednych wiązań i zapoczątkowuje powstawanie nowych. Powstaje twór zwany kompleksem aktywnym (AB*), który już nie jest tylko dwiema cząsteczkami A i B, ale nie jest też jeszcze nową cząsteczką C (czyli już nie kwas+alkohol ale jeszcze nie ester);

·         powstały kompleks aktywny może, ale nie musi, przekształcić się w produkt. Jeśli tak się stanie - proces reakcji się zakończy. Może jednak dojść do rozpadu kompleksu aktywnego z powrotem na cząsteczki A i B i w ujęciu makroskopowym - mimo, że reakcja była już w bardzo zaawansowanym stanie - powiemy, że reakcja nie nastąpiła.

 Podane powyżej elementarne etapy procesu reakcji to tylko jego główne elementy. Każdy z nich w dużej mierze jest zjawiskiem losowymi, czyli trywializując, zależy głównie od przypadku. Jednak prawdopodobieństwo zaistnienia tego przypadkowego zdarzenia zależy też w pewnym stopniu od czynników zewnętrznych - struktury reagujących cząsteczek i parametrów procesu (przede wszystkim stężenia lub ciśnienia reagentów oraz temperatury). 

Trzeba też zdać sobie sprawę z tego, że to co potocznie nazywamy reakcją chemiczną zapisaną schematycznie jako A + B = C jest najczęściej wieloetapowym procesem, przebiegającym przez stadia pośrednie: A + B = X;   X + D = Y;    .....  = C. 

Pojęcie ogólnej reaktywności substancji jest pojęciem dość nieostrym i pozwala na rozróżnienia między substancjami znacznie różniącymi się między sobą, natomiast jest zbyt mało precyzyjny by różnicować substancje o podobnych właściwościach.. Można spokojnie stwierdzić, że chlorek kwasu octowego jest o wiele bardziej reaktywny niż cykloheksan, natomiast porównywanie reaktywności np. alkoholi i kwasów organicznych nie ma większego sensu - brak ostrych kryteriów na podstawie których jednoznacznie można by przypisać jedną z tych grup do większej reaktywności. Z tego powodu często nie mówimy o reaktywności jakiejś substancji "w ogóle" lecz tylko w stosunku do konkretnej reakcji lub grupy reakcji. W stosunku np. do wodorotlenków kwasy organiczne są bardziej reaktywne niż alkohole, natomiast alkohole cechuje wyższa, niż w przypadku kwasów, reaktywność w rekcjach utleniania.

 Reaktywność w praktyce oznacza zazwyczaj ilość reakcji w jakie wchodzi  dana substancja czy grupa substancji, oraz wydajność tych reakcji w warunkach niezbyt odbiegających od normalnych. Jeżeli jakaś reakcja dla przeprowadzenia z wydajnością liczoną w dziesiątkach procent wymaga temperatury rzędu kilkuset stopni i ciśnienia kilkuset atmosfer, nie bierzemy jej pod uwagę w trakcie rozpatrywania reaktywności danej substancji. Natomiast wszelkie reakcje przebiegające z dość dużą wydajnością w temperaturach do paruset stopni i kilku atmosfer uznajemy za "właściwość" chemiczna danego związku. Z pobieżnej nawet analizy przebiegu reakcji chemicznej (patrz wyżej) jasno wynika, że cecha zwana reaktywnością jest wypadkową kilku innych właściwości cząsteczki reagującej. Prześledźmy te cechy i ich wpływ na reaktywność.

1. Spotkanie cząsteczek.
   Dla cząsteczek niepolarnych czynnikiem decydującym o spotkaniu jest wyłącznie przypadek. Gdy reagentami są cząsteczki polarne dochodzi do tego aktywne oddziaływania ładunków dipoli (przyciąganie ładunków różnoimiennych), zwiększające ilość spotkań a zatem i szybkość reakcji. Ciśnienie bądź temperatura oraz wzrost stężenia "biernie" zwiększają prawdopodobieństwo spotkania się reagujących cząsteczek.
   Tak więc pierwszy etap reakcji w danych warunkach zachodzi szybciej (łatwiej) w przypadku substancji polarnych.
   Także "unieruchomienie" na jakiś czas cząsteczek reagujących, poprzez siły elektrostatyczne zwiększa szanse zajścia reakcji.
2. Usytuowanie przestrzenne.
   Ponieważ reakcje (przegrupowanie atomów i wiązań między reagującymi cząsteczkami) najczęściej zachodzą między elementami cząsteczki (grupami funkcyjnymi) obdarzonymi cząstkowym ładunkiem ujemnym (reakcje elektrofilowe) lub cząstkowym ładunkiem dodatnim (reakcje nukleofilowe) takie spotkanie i "unieruchomienie" cząsteczek reagujących w pozycji (+) (–) ułatwia przegrupowanie atomów i ładunków między reagującymi grupami.
3. Aspekty energetyczne.
   Tu, w tym krótkim opracowaniu, wspomnijmy tylko, że odpowiedni poziom energii wewnętrznej obu reagujących cząsteczek i różnica energii między substratami i produktami oraz poziom energii aktywacji decydują o wyniku reakcji. Szczegółowsze dane na temat czynnika energetycznego w przebiegu reakcji znajdziesz w rozdziale o energii w reakcjach i energii cząsteczek.
4. Kształt  cząsteczek substratów.
   Kształt cząsteczki w powiązaniu z polarnością odgrywa dużą, czasem wręcz decydującą rolę w procesie przemian chemicznych. Przeszkody steryczne (fizyczne, geometryczne) mogą uniemożliwić spotkanie się grup reaktywnych. Przeszkodą w zbliżeniu się grup reagujących na odległość umożliwiającą zajście reakcji może być także silne pole elektryczne podstawników (szczególnie silnie elektroujemnych i  "objętościowych" - brom, jod, grupa nitrowa, pierścień fenylowy). Jednocześnie w wielu przypadkach silnie elektroujemne podstawniki na drodze indukcji zwiększają ładunek dodatni dipola cząsteczki ułatwiając reakcje nukleofilowe. Tak więc nie można tu sformułować jednej reguły opisującej wpływ podstawnika na reaktywność cząsteczek.

Podsumowując: najistotniejszym i "najpewniejszym" czynnikiem wpływającym na reaktywność jest polarność - tak całej cząsteczki, jak i wiązań w obrębie centrum reakcji. Wpływ innych czynników mogących mieć znaczenie dla reaktywności danej grupy związków trzeba rozpatrywać kompleksowo, w powiązaniu z daną reakcją i warunkami jej przeprowadzania. Trzeba pamiętać, że także rozpuszczalnik i jego relacje z reagującymi w nim substancjami (solwatacja) mogą w sposób znaczący wpływać na reaktywność.

Cząsteczkowość reakcji

Przez cząsteczkowość reakcji rozumiemy ilość cząsteczek substratów biorących udział w reakcji elementarnej, ilość cząsteczek, które muszą się spotkać w jednym miejscu i czasie, by reakcja mogła nastąpić. 

Rozróżniamy reakcje jednocząsteczkowe (np. rozkład termiczny związku lub samoistny rozpad radioaktywny), dwucząsteczkowe (najpopularniejsze), trójcząsteczkowe (bardzo rzadkie, wymagają bowiem spotkania się aż trzech cząsteczek i spełnienia przez nie kryteriów podanych w opisie ogólnych zasad - minimalne prawdopodobieństwo). Reakcje cztero- i więcej cząsteczkowe praktycznie nie zachodzą z powodu prawdopodobieństwa praktycznie równego zero. Jeśli z zapisu reakcji wynika taka cząsteczkowość (np. 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 - reakcja pozornie pięciocząsteczkowa), to prawie na pewno mamy do czynienia nie z prostą reakcją elementarna a tylko z prostym zapisem złożonego procesu kilku reakcji następczych, z których żadna nie jest więcej niż trójcząsteczkowa.

Nawet proste w zapisie reakcje dwucząsteczkowe przy dokładniejszym badaniu okazują się najczęściej ciągiem reakcji następczych. Na przykład prostą, wszystkim znana reakcję:

2Na + 2H2O ––>  2Na+ 2OH- + H2

można zapisać jako ciąg reakcji elementarnych:

H2O ——> H+ + OH-

Na + H+ ——> Na+ + H

H + H ——> H2

Pierwsza z nich jest jednocząsteczkową reakcją dysocjacji wody, druga dwucząsteczkowa reakcja jonizacji sodu pod wpływem jonów wodorowych, a trzecia dwucząsteczkową reakcją tworzenia cząsteczki wodoru z atomów wodoru. 

Biorąc pod uwagę pierwszą z reakcji i pamiętając, że w rzeczywistości jony wodorowe w roztworach wodnych występują jako jony hydroniowe H3O+, też nie jesteśmy pewni czy jest to reakcja jednocząsteczkowa, czy może dwucząsteczkowa:

H2O + H2O ——>  H3O+ + HO-

Ustalenie rzeczywistej cząsteczkowości elementarnej reakcji chemicznej, czyli ilości cząsteczek (lub czasem tylko atomów), które muszą się spotkać w tym samym miejscu i czasie, aby mogła zajść reakcja nie jest sprawą wcale łatwą. Pamiętajmy, że zapis stechiometryczny reakcji jest tylko zapisem symbolicznym i z prawdziwym przebiegiem reakcji  najczęściej ma związek bardzo luźny.

...