Частицы, участвующие в химической реакции
В ходе реакции происходит преобразование химических связей в реагентах. Оно представляет собой разрыв химических связей в молекулах исходных веществ и образование новых химических связей в продуктах реакции. Этот процесс может осуществляться двумя путями. Во-первых, в результате столкновения двух молекул образуется нестабильная промежуточная частица, в состав которой входят все атомы исходных веществ, объединенные общей системой химических связей, которая в дальнейшем может образовать либо продукты реакции, либо исходные вещества. В этом случае процесс протекает в одну стадию, химическая реакция является элементарной:
Во-вторых, химический процесс может реализоваться путем протекания нескольких (как минимум двух) последовательных элементарных реакций. Первая стадия такого процесса состоит в предварительном разрыве химических связей в молекулах исходных веществ с образованием отдельных фрагментов, которые могут быть заряжены, – ионы и не заряжены – свободные атомы и свободные радикалы. Последующее взаимодействие этих частиц приводит к образованию новых молекул. Например, превращение молекул АВ и СD в молекулы АD и ВС может быть описано следующими схемами:
Распад молекулы на отдельные фрагменты называется диссоциацией. Разорвать химическую связь в молекулах вещества можно двумя путями. Во-первых, разорвав общую электронную пару. Такой разрыв называется гомолитическим. При этом образуются частицы, обладающие неспаренными электронами: свободные атомы или фрагменты молекул, состоящие из нескольких атомов – свободные радикалы. При записи эти частицы обозначают точкой в виде верхнего индекса химической формулы.
Наличие у свободных атомов и радикалов неспаренных электронов обусловливает их повышенную реакционную способность по сравнению с молекулами.
Диссоциация молекул может также происходить без разрыва общей электронной пары, путем ее перехода к одному из фрагментов с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов. Такой разрыв называется гетеролитическим. Электрический заряд ионов определяет их повышенную реакционную способность по сравнению с молекулами.
Пример. Энергия диссоциации молекул веществ, находящихся в газовой фазе при гомолитическом и гетеролитическом разрыве связей
| Молекула | Гомолитический разрыв | Энергия, кДж/моль | Гетеролитический разрыв | Энергия, кДж/моль |
| H2 | H• + H• | H+ + H- | ||
| F2 | F• + F• | F+ + F- | ||
| HF | H• + F• | H+ + F- | ||
| H2O | H• + OH• | H+ + OH- | ||
| CH4 | H• + CH3• | H+ + CH3- CH3+ + H- | ||
| CsCl | Cs• + Cl• | Cs+ + Cl- |
Как видно из примера, в газовой фазе энергия гетеролитического разрыва связей, обычно, значительно превышает энергию гомолитического разрыва. Только для молекул, в которых связь сильно поляризована (ионный тип связи) энергии гомолитического и гетеролитического разрывов различаются не сильно. Как правило, образование свободных атомов и радикалов происходит при относительно высоких температурах (термическая диссоциация), при поглощении квантов света (фотохимические реакции) или частиц ионизирующего излучения (радиационно-химические реакции). Поэтому реакции в газовой фазе протекают преимущественно с участием радикалов.
Ситуация изменяется при осуществлении реакций в растворах, особенно при использовании полярных растворителей, например воды. В этом случае, согласно модели электролитической диссоциации, в результате поляризации связи в молекулах растворенного вещества под действием растворителя создаются условия для ее гетеролитичесого разрыва, приводящего к образованию ионов. В растворах химические реакции, как правило, протекают с участием молекул и ионов. Первая стадия реакции – распад молекул растворенного вещества на ионы (электролитическая диссоциация) осуществляется в процессе растворения. Поэтому для обменных реакций растворы, по сути, являются «подготовленными» для химической реакции системами, в них осуществлен разрыв «старых» химических связей. Образование продуктов реакции обусловлено возможностью реализации процессов ассоциации ионов таким образом, чтобы в результате образовалось вещество, плохо распадающееся на ионы (слабый электролит) или уходящее из сферы реакции (осадок, газ).
Таким образом, в химической реакции могут принимать участие молекулы, атомы, радикалы и ионы.