Понятие о теории активированного комплекса

С современной точки зрения элементарный акт химической реакции протекает как непрерывный последовательный процесс:

  • • сближение молекул реагентов;
  • • образование из них сложной промежуточной частицы — активированного комплекса;
  • • последующий распад активированного комплекса на продукты реакции.

Для реакции

это выглядит так, как изображено на рис. 13.2.

Схема протекания реакции А + ВС —? АВ + С через образование активированного комплекса

Рис. 13.2. Схема протекания реакции А + ВС —? АВ + С через образование активированного комплекса

Активированный комплекс является тем объектом, в котором кинетическая энергия частиц реагентов переходит сначала в потенциальную энергию комплекса, а потом — в химическую энергию новой конфигурации частиц и кинетическую энергию их последующего движения.

Теория процесса образования и распада этого объекта получила название теории абсолютных скоростей химической реакции Построим диаграмму, по оси абсцисс которой отложено расстояние (глв), по оси ординат — (гвс) и в каждой точке которой вычислена потенциальная энергия системы, состоящей из атомов А В, С. Если соединить точки с одинаковой энергией сплошными линиями, то полученная картина весьма схожа с топографической картой с горизонталями (линиями равных высот) (рис. 13.3).

Здесь Пунктирная линия — это путь реакции, прохо

дящий по точкам минимума потенциальной энергии реакционной системы.

1 Ее авторами являются американский химик Генри Эйринг (1901 — 1981) и английские ученые Мередит Гвин Эванс (1904—1952) и Майкл Поляни (1891 — 1976). В дальнейшем изложении рассматривается простейший вариант для случая, когда исходная энергия частиц А и ВС в точности равна энергии активации.

Энергетическая карта химической реакции

Рис. 13.3. Энергетическая карта химической реакции

В соответствии с теорией Эйринга — Эванса— Поляни активированный комплекс (частица А..В...С) находится на «седловине» диаграммы потенциальной энергии системы. Это место обозначено меткой «х». Вершина «х» отделяет долину реагентов от долины продуктов. В этой области потенциальная энергия системы, движущейся по пути реакции, максимальна. Справа внизу — долина реагентов, состоящих из частиц А и ВС. В этой долине реагенты могут подниматься по склонам, если имеют энергию, избыточную по отношению к средней (дно долины). Заметим, что реагенты могут достичь точки «х», только обладая энергией, превышающей среднюю энергию частиц в долине на величину высоты точки «х». Эта высота и есть энергия активации химической реакции. Достигнув точки «х», реагенты превращаются в активированный комплекс.

Активированный комплекс А..В...С из точки «х» может перейти как в одну долину, так и в другую. Причиной такого перехода является внешнее воздействие. В химии это, как правило, квант равновесного при температуре системы электромагнитного поля. При этом суммарная кинетическая и потенциальная энергия и реагентов, и продуктов в любой точке энергетических долин равна потенциальной энергии активированного комплекса. Именно поэтому он и называется «активированным» — его потенциальная энергия максимальна и она переходит в энергию химических связей и кинетическую энергию продуктов его распада. Происхождение еще одного названия структуры А..В...С — «переходное состояние» — ясно из ее положения на диаграмме.

По своей природе с позиций квантовой механики структура А...В...С является суперпозицией трех структур:

  • • структуры, состоящей из отдельных атомов А, В и С;
  • • структуры, состоящей из реагентов АВ и С;
  • • структуры, состоящей из продуктов реакции А и ВС.

Все эти структуры равно реальны, и каждая из них становится действительной при определенных способах взаимодействия с ней наблюдателя. Без взаимодействия с внешней средой разделение на возможные состояния (физики называют этот процесс дскогсрснцисй) нс происходит. И именно на этом основан принцип работы квантового компьютера — самостоятельно существующая единица квантовой реальности (кубит) «живет и работает» одновременно (параллельно) сразу во всех своих возможных состояниях, т.е. во множестве физических миров (реальностей). Такая трактовка квантовой механики называется многомировой интерпретацией, первым ее предложил американский физик Хью Эверетт (1930—1982).

Возможность перехода в обе стороны (как в долину продуктов, так и в долину реагентов) объясняет наличие состояния равновесия, в котором одновременно идут как прямая, так и обратная реакции. Преимущественное же перемещение активированного комплекса (направленная химическая реакция) предопределяется двумя факторами — концентрациями частиц в долинах и формой потенциального барьера (точнее, крутизной его склонов в сторону той или иной долины). Перейдя точку «X», система оказывается в области слева вверху на диаграмме — в долине продуктов, состоящих из частиц АВ и С. В случае более сложных молекул, когда активированный комплекс состоит более чем из трех атомов, поверхности потенциальной энергии становятся многомерными и не могут быть представлены наглядно. Сечение этой диаграммы по линии пути реакции дает энергетическую диаграмму реакции, рассмотренную в гл. 12.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >