Что такое механизм реакции

Что такое механизм реакцииКогда во второй половине XIX века восторжествовала атомно-молекулярная теория, стало понятно, что многие химические реакции идут путём «перестановки атомов» в молекулах — примерно как в игре в слова, когда перестановкой букв получают новое слово или несколько слов. Такая перестановка букв может быть очень простой, например кот-ток, а может быть и посложнее, например апельсин-слипанье. «Химический аналог» этой игре — реакции изомеризации, например CH3-N=O > CH2=N-OH. Бывает также, что атомы из одного соединения переходят в другое и наоборот, комбинируясь сложным образом, и при этом получаются два новых вещества.

На примере игры в слова это можно проиллюстрировать так: я + матушка — яма + тушка; или як + олово — воля + око. (Можете сами попробовать сочинить такие «словесные реакции».

) Если бы буквы действительно могли сами передвигаться, было бы интересно проследить, как распределились три буквы «о» в слове «олово» между словами «воля» и «око» — какие буквы на какое место встали. А ведь атомы в молекулах — те же буквы в словах!

И так же, как буквы не могут встать в слове в любое произвольное место, так и атомы занимают свои места в молекулах и меняют своё место в них в соответствии со строгими законами.

Современный химик имеет в своём распоряжении атомы примерно сотни элементов. И во многих случаях он довольно хорошо представляет, каким образом можно произвести «пересортировку» атомов, чтобы они сами встали на нужные места, чтобы из одних веществ получить другие.

Но вот как, какими путями атомы меняют своё местоположение, обычно не только не было известно, но и вопросы такие химики долгие годы даже не ставили. Потому что совершенно непонятно было, можно ли вообще это выяснить.

Может быть, в ходе химической реакции, когда из сложного вещества А получается сложное вещество Б, атомы, из которых состоит вещество А, «рассыпаются», а затем соединяются в другом порядке?

Ведь и ребёнок, соорудив какую-нибудь конструкцию из имеющихся в наборе деталей, может потом её полностью разобрать и построить что-то другое.

Не происходит ли нечто похожее и в ходе химической реакции? Но если какие-то атомы для построения из вещества А вещества Б не понадобились — куда они денутся?

Или, наоборот, каких-то атомов не хватило — откуда их взять? Не можем же мы их, как детали конструктора, брать из «коробки» или класть туда за ненадобностью!

«Рассыпать» все атомы в исходных молекулах в принципе можно — для этого их следует нагреть до нескольких тысяч градусов. Но так никто ведь химические реакции не проводит: в большинстве случаев нет никаких шансов, что после охлаждения эта россыпь отдельных атомов сама собой соберётся в нужные химику продукты реакции.

Здесь аналогия с конструктором заканчивается.

Практически никогда одни вещества не получаются из других таким образом, чтобы исходные вещества распались на отдельные атомы, которые затем соединились бы в другом порядке. Невозможно представить себе, чтобы в ходе уже знакомой нам реакции изомеризации бутана в изобутан: СН3-СН2-СН2-СН3 > (СН3)2СН-СН3 сразу порвались все химические связи в молекуле бутана и образовались 13 новых связей С-Н и С-С в молекуле изобутана.

Значит, реакция идёт каким-то другим способом. Что же происходит с атомами С и Н исходного вещества, когда они превращаются в молекулы продукта?

Узнать это очень непросто, и в большинстве случаев подобная информация вообще неизвестна!

А знать её нужно, чтобы лучше управлять разными реакциями, в том числе и реакциями изомеризации, подобной приведённой выше.

Ведь разветвлённые углеводороды имеют намного более высокое октановое число, чем неразветвлённые, и реакции изомеризации углеводородов проводят в огромных масштабах при изготовлении моторного топлива. Вопрос о том, как происходят химические реакции (то есть вопрос об их механизме), — один из самых интересных и трудных в химии.

И в очень многих случаях он до сих пор не решён. Эта задача исключительно сложна.

Недаром за такие исследования не раз присуждалась Нобелевская премия по химии.

Последний раз это произошло в 2007 году — за полную расшифровку механизма ряда реакций, в числе которых — важнейший промышленный процесс синтеза аммиака из водорода и азота: ЗН2 + N2 = 2NH3.

Попробуем проследить, как постепенно подходили химики к решению сложнейшей задачи изучения механизма реакций. Сравнительно прост механизм «перестановки атомов» в некоторых реакциях изомеризации, когда несколько атомов в молекуле просто меняют своё положение в пространстве, без существенной перестройки «молекулярного скелета».

Например, при нагревании или освещении ультрафиолетом малеиновая кислота НООС-НС=СН-СООН переходит в фумаровую, которая отличается только тем, что два атома Н в ней находятся не по одну, а по разные стороны относительно двойной связи С=С. Более сложная перегруппировка атомов происходит в упоминавшемся опыте Вёлера, когда из неорганического цианата аммония (аммониевой соли циановой кислоты) он получил органическое вещество мочевину: NH4+[N=C=O]- > О = C(NH2)2 (когда в реакциях участвуют органические соединения, знак равенства в уравнении обычно заменяют стрелкой, в частности для того, чтобы не спутать его с двойной связью между атомами). Здесь два неравноценных атома азота в исходном веществе (один в составе катиона, другой — аниона) становятся одинаковыми в составе двух аминогрупп NH2. Переместиться должны и четыре атома водорода: раньше все они были связаны с одним атомом азота, теперь — с двумя.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

О химии и химиках
  • Репетитор – это не обязательно

    06.09.2017

    Очень примечательным и ободряющим для российских граждан является тот факт, что во всем мире репетиторство развивается не менее бурными темпами, чем в России. Ведь когда на законодательном уровне было закреплено единый... 
    Читать полностью

  • Чудеса для разминки

    02.02.2017

    Если чего-нибудь не раздобудешь, неважно. Пропусти опыт и переходи к следующему. Но описание пропущенного опыта прочитай: когда-нибудь, при удобном случае, к нему можно и вернуться. Для первого опыта нужны два вещества, которые,... 
    Читать полностью

  • Варим яйцо в бумажной кастрюле

    02.02.2017

    Возьмите лист плотной бумаги, сверните из него колпачок. Стыки проклейте быстросохнущим клеем и скрепите скобами степлера. В эту бумажную емкость налейте воды, положите сырое яйцо. Согните из проволоки держатель (его можно... 
    Читать полностью

  • Свеча из мыла

    02.02.2017

    Когда мы рассуждали о том, почему мыло моет, то упоминали особое устройство его молекулы: «голова» и длинный «хвост», причем «голова» стремится к воде, а «хвост», напротив, от воды отталкивается… Рассмотрим... 
    Читать полностью

  • Главные принципы домашнего физика

    01.02.2017

    Правило первое (самое главное). Сначала демонстрация опыта, потом – его объяснение и применение закона! Именно такая последовательность привлекает максимальное внимание, и вызывает главный вопрос исследователя – «Почему?» Правило... 
    Читать полностью