화학 물질은 왜 반응

화학 물질은 왜 반응

 

화학은 변화의 과학입니다. 그런데 왜 화학 반응이 일어나는 걸까요? 화학 물질이 서로 반응하는 이유는 무엇입니까?

 

답은 열역학 과 동역학에 있습니다. 이 두 가지는 화학에서 이해해야 할 가장 중요한 개념 입니다.

 

그러나 때로는 몇 년간의 기초 화학 교육을받은 후에도 그들이 반응성을 어떻게 제어하는지에 대한 명확한 그림을 형성하기가 쉽지 않습니다!

 

이 튜토리얼에서는이 두 개념이 무엇인지, 그리고 화학적 반응성에 미치는 영향을 소개하고 요약하려고합니다. 이것은 분명히 모든 레벨의 화학 학생들을위한 소개입니다.

 

확실히, 더 포괄적 인 설명이 있습니다. 원한다면 가장 잘 알려진 일반 화학 책 이나 좀 더 구체적인 유기 화학 교과서를 찾으십시오 . 그러나 우리는 일반 과학 대중이 이용할 수있는 짧은 설명이 많지 않다는 것을 발견했습니다. 열역학과 동역학에 대한 기본적인 이해 없이는 반응성의 기본 원리를 이해할 방법이 없기 때문에 이것은 다소 걱정스러운 일입니다. 반응성을 이해하지 못하면 화학에서 가장 중요한 부분을 놓치고 있습니다.

 

그러나 만약 당신이 정말로 물리 화학 개념에 대해 잠수하고 싶다면, 불행히도 대부분의 책은 수학, 물리 및 화학 자체에 대한 기본적인 이해 없이는 뚫을 수 없다는 것을 알게 될 것입니다.

 

이것이 우리가이 짧은 튜토리얼로 고치고 싶은 것입니다. 화학 화합물이 반응하는 이유에 대한 일반적인 개요 를 제공합니다 . 우리는 항상 물리적 유기 화학으로 진행되어 왔던 게이트 키핑을 깨고 싶습니다!

 

언급했듯이 이것은 간략히 설명하기위한 것입니다. 기본 정의부터 시작하여 촉매 반응의 자유 에너지 프로필을 이해하는 데까지 도움이되기를 바랍니다.

 

아직 관심이 없으십니까? 계속 읽으세요!

 

빠른 면책 조항 : 제 배경은 유기 화학 이므로 간단한 유기 화학 반응에 대해 설명하지만 대부분의 일반 원칙은 모든 종류의 화학 반응성에 적용됩니다.

대부분의 에너지 다이어그램에서 에너지 값은 방향성을 나타내며 개념을 설명하기 위해 구성됩니다.

열역학 : 분자의 에너지 적 안정성

열역학 은 열, 일 및 온도와 물질의 에너지, 복사 및 물리적 특성과의 관계를 다루는 물리학의 한 분야입니다.

 

이것이 열역학의 정의입니다. 보시다시피 엄청나게 광범위한 개념입니다. 지금은 잊어 버리자. 열역학은 화학 물질이 반응하는 이유를 어떻게 결정합니까?

 

음, 에너지와 관련된 가치를 가진 모든 분자를 상상해보십시오.

 

일부 분자는 더 큰 에너지를 갖고 다른 일부는 더 낮은 에너지를 갖습니다. 그런 다음 모든 화학 시스템이 가능한 가장 낮은 에너지 지점, 사실상 가장 안정적인 지점 으로가는 경향이 있음을 고려하십시오 . 이것은 높은 에너지 (덜 안정한)를 가진 분자가 낮은 에너지 (더 안정된)를 가진 다른 분자로 변환하는 경향 (또는 "반응을 원할 것")을 가질 것임을 의미합니다.

 

왜 그런 겁니까? 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 이동하는 과정은 발열 과정이라고하는 에너지 또는 열을 방출하기 때문입니다. 이것은 우리가 열역학적으로 선호되는 과정 이라고 부르는 것이며 , 기본적으로 열역학 법칙 이 우리에게 말하는 것입니다.

 

에너지 다이어그램의 열역학적 안정성

이것은 들리는 것보다 쉽습니다. 아래 이미지는 방금 읽은 내용을 보여줍니다. 분자 A는 두 가지 방식으로 반응 할 수 있습니다 . 열을 흡수하면 1 로 변환 될 수 있습니다 . 또는 열역학적으로 유리한 방식으로 에너지를 방출 하여 2 로 진화 할 수 있습니다 . 물론 이것이 유일한 두 가지 시나리오라면 A의 모든 분자 가 반응하여 2 를 제공 하고 영원히 머무를 것입니다. 그러나 그림은 일반적으로 그렇게 간단하지 않으며 나중에 다시 돌아올 것입니다.

 

화학 물질이 열역학에 의해 반응하는 이유

분자의 두 가지 가능한 에너지 경로의 일반적인 표현.

위의 그림을보고 있지만 더 높거나 낮은 에너지가 의미하는 바를 여전히 얻지 못할 수 있습니다. 다른 곳에서 보셨거나 학교 / 대학에서 배웠을 방식으로 다시 그리겠습니다.

 

알켄의 열역학

동일한 알켄의 이성질체의 열역학적 안정성.

위의 체계는 입문 유기 화학 과정에서 항상 가르치는 것과 유사합니다. 알켄의 더 많은 치환 이성질체가 더 안정적이며 (A 및 2 대 1) 트랜스 이성질체가 시스 이성질체 (2 대 A) 보다 더 안정적 입니다.

 

이것은 무엇을 의미합니까? 이는 적절한 상황이나 조건이 주어지면 1과 A가 반응하여 2를주고 싶어한다는 것을 의미합니다. 그러나 이제 우리는 1과 같은 덜 안정된 알켄이 완벽하게 불활성이며 걱정없이 취급하고 저장할 수 있습니다. 그래서 여기서 거래는 무엇입니까?

 

답은 역학 과 활성화 장벽입니다.

 

역학 : 화학적 반응성의 장벽

역학에 대해 알아보기 전에 열역학적으로 유리한 프로세스의 또 다른 간단한 예를 보여 드리겠습니다. 이 경우 Sn2 치환 반응 의 에너지 다이어그램 .

 

열역학 sn2

에너지 적으로 유리한 치환 반응의 열역학.

보시다시피, 하이드 록 시드 음이온과 클로로 메탄 분자의 에너지를 0으로 설정하면 (에너지 다이어그램에서는 항상 개별 분자가 아닌 전체 시스템에 대한 에너지를 설정합니다) 해당 Sn2 반응 생성물의 총 에너지 ( tert- 부틸 알코올 및 염화 음이온)이 낮아집니다 (약 20kcal / mol 낮음!).

 

이것은 무엇을 의미 하는가? 반응이 열역학적으로 유리하며 원칙적으로 반대 방향으로 발생하지 않습니다.

 

그러나 이것은 어떤 온도에서 수산화물을 클로로 메탄과 혼합하면 tert- 부틸 알코올과 염화물 이 즉시 형성된다는 것을 의미 합니까? 당연히 아니지! 반응이 진행되는 속도는 온도에 직접적으로 좌우되며, 온도가 충분히 낮 으면 공정이 열역학적으로 유리하더라도 반응이 전혀 일어나지 않습니다.

 

왜 그런 겁니까? 운동학 이 답입니다.

 

화학 반응 속도론이란 무엇입니까?

화학 또는 반응 역학 은 화학 반응 의 속도 (또는 속도) 를 연구하는 물리 화학의 한 분야입니다 .

 

요약하면 열역학은 화학 반응이 진행되는 방향을 결정하고 역학은 해당 프로세스가 발생하는 속도 또는 속도를 결정합니다.

 

물론 이전 섹션의 마지막 계획에는 빠진 것이있었습니다. 화학 반응에서 반응물 A는 단순히 제품 B로 변환되지 않습니다. 반응은 전이 상태 라고 부르는 것을 통해 발생 합니다.

 

전이 상태 는 반응물과 화학 반응 단계의 생성물 사이의 중간 구조입니다. 그들은 일반적으로 반응물과 생성물 모두보다 에너지가 더 높으며 (덜 안정적) 반응물과 전이 상태 사이의 에너지 차이 (활성화 에너지라고도 함)는 열역학적으로 유리한 반응이 취하기 위해 극복하는 데 필요한 장벽입니다. 장소.

 

화학 물질은 왜 반응합니까? 결합 된 열역학 및 운동학

Sn2 치환 반응의 자유 에너지 다이어그램의 현재 완전한 버전은 아래를 참조하십시오. 보시다시피 공정은 열역학적으로 유리하지만 제품에 도달하려면 23.0 kcal / mol의 장벽 또는 활성화 에너지를 극복해야합니다.

 

sn2 자유 에너지 프로필

Sn2 치환 반응의 자유 에너지 프로파일.

활성화 에너지가 클수록 주어진 온도에서 반응 속도 또는 속도가 낮아집니다. 일반적으로 반응이 25ºC에서 상당한 속도 (몇 시간 또는 며칠)로 진행되도록 장벽 한계를 약 25kcal / mol로 설정합니다. 기억하기 쉽습니다.

 

안정성 대 비활성

공정이 아무리 열역학적으로 유리하더라도 해당 전이에 도달하기위한 장벽이 너무 높으면 (예 : 30-40 kcal / mol 이상) 화학 반응이 규칙적인 조건에서 발생하지 않습니다.

 

이를 통해 화학 물질의 특성으로서 안정성과 비활성 사이를 명확히 할 수 있습니다 .

 

안정성 은 열역학적 개념이고 비활성 은 운동 학적 개념입니다.

 

화합물은 에너지가 상대적으로 낮 으면 안정적입니다 (상호 전환 될 수있는 분자에 비해). 그 반대는 불안정 하고 에너지가 높습니다.

반면에, 우리는 화합물이 반응하기 위해 큰 활성화 장벽을 극복 해야하는 경우 동 역학적으로 불활성 이라고 말합니다 .

화합물은 불안정 하고 불활성 일 수 있습니다 . 이것이 우리가 1- 프로 펜과 같은 열역학적으로 불안정한 1 차 알켄을 시스- 또는 트란 s-2- 프로 펜 과 같은보다 안정적인 2 차 알켄으로 이성화하지 않고도 취급하고 저장할 수있는 이유입니다 (처음 두 가지 계획 참조).

 

그러나 우리는 역학 을 속일 수 있습니다 ! 촉매 는 화학적 변형의 활성화 에너지를 낮추는 데 사용할 수 있으며, 더 빠르게 진행하거나 단순히 진행할 수 있습니다!

 

참고 : 이론적 으로 프로세스 의 활성화 에너지가 아무리 높더라도 항상 특정 속도로 발생한다고 말합니다. 그러나 에너지 장벽이 예를 들어 50kcal / mol보다 높으면 반응 속도 또는 속도가 너무 낮아 상당한 전환을 감지 할 수 있기까지 수년이 걸릴 것입니다.

촉매 작용 : 장벽 낮추기!

이제 화학 물질이 반응하는 이유를 알았으니 화학자들이 시스템을 무시하고 활성화 장벽을 낮추는 방법을 설명하겠습니다.

 

촉매 화학 반응 속도 화학적 실체 (분자, 염, 배위 착물 ...)이다. 또한 새로운 반응 경로를 잠금 해제하고 그렇지 않으면 불가능한 반응을 작동시킬 수 있습니다.

 

특정한 고전적인 예를 들어 보겠습니다. 전자 성 방향족 치환 을 브롬 분자 (BR-BR)과 벤젠. 이 반응은 전통적으로 삼 브롬화 철과 같은 루이스 산을 촉매로 사용하여 수행됩니다.

 

그러나 먼저 벤젠과 브롬을 함께 혼합하고 충분히 가열하면 무 촉매 공정 버전을 상상해 보겠습니다.

 

열 무 촉매 반응이 발생하는 방법

이 반응의 첫 번째 단계는 잘 알려진 Wheland 중간체 의 형성입니다 . 중간체 ( 중간체를 서로 연결 하는 전이 상태와 혼동하지 말 것)는 중간 점 으로서 A로 이어지는 A의 화학 반응 중간 단계 중 하나에서 형성되는 반응성 화학 종입니다 . 벤젠이 브로 모 벤젠으로 변환 되려면이 중간 종을 통과해야합니다. 중간체는 일반적으로 열역학적으로 불안정하고 동 역학적으로 반응하기 때문에 거의 분리 할 수 ​​없습니다 .

 

어쨌든 반응물은 30kcal / mol의 높은 활성화 장벽을 극복해야합니다. 이것이 일어나기에 충분한 온도가되면, 나머지 공정은 더 낮은 활성화 장벽을 가지며, 전체 열역학적으로 유리한 공정 (-11 kcal / mol의 발열)에서 반응 생성물을 제공하기 위해 내리막 길에서 발생합니다.

친 전자 성 방향족 치환 자유 에너지

열적 또는 무 촉매 친 전자 성 방향족 치환.

그러나 우리는 촉매제를 사용하여 속도를 높일 수 있습니다!

 

루이스 산-촉매 된 친 전자 성 방향족 치환

혼합물에 촉매를 추가함으로써 우리는 새로운 전이 상태에 접근 할 수 있습니다.이 상태는 더 안정적이며 따라서 에너지가 더 낮습니다. 반응 속도 제한 단계의 전이 상태가 에너지가 낮을 때 어떤 일이 발생합니까? 전체 프로세스의 활성화 장벽이 훨씬 낮습니다!

 

이것은 기본적 으로이 반응 의 FeBr 3 (촉매)의 역할입니다 : 전이 상태와 중간체를 안정화합니다. 이제 첫 번째 전이 상태에 도달하기위한 활성화 장벽이 훨씬 낮아 (20 대 30 kcal / mol) 온화한 조건에서 반응이 일어날 수 있습니다.

 

촉매 작용 하에서 반응이 일어나는 이유

금속 촉매 친 전자 성 방향족 치환의 자유 에너지 프로파일.

또한 FeBr 3 은 제품과 반응하지 않고 회수됩니다. 이것은 촉매의 또 다른 특징입니다. 촉매는 회수되어 다른 반응 사이클에 다시 들어갈 수 있습니다. 이것이 그들이 종종 화학 양론 이하의 양으로 사용되는 이유입니다 (즉, 1 몰 미만의 촉매는 출발 물질 1 몰의 완전한 전환을 유도하기에 충분합니다).

 

그러나 이미 언급했듯이 촉매 작용 덕분에 우리는 완전히 비실용적 인 온도가 필요한 활성화 장벽을 낮출 수있을뿐만 아니라 자체적으로 완료하는 데 수백 년이 걸리는 반응을 잠금 해제 할 수도 있습니다. 또한 완전히 새로운 선택성을 달성하고 새로운 화학 공정을 개발할 수 있습니다.

 

저는 촉매 작용에서 일하며 이것이 가장 중요하고 흥미롭고 활동적인 화학 분야 중 하나라고 말할 수 있습니다.

 

이것으로이 튜토리얼 리뷰의 끝이며 화학 반응이 발생하는 이유와 화학 반응을 일으키는 원인에 대한 명확한 그림을 얻는 데 도움이 되었기를 바랍니다. 어떤 수준에서든 화학을 배우는 경우 마스터해야하는 개념을 확실히 다루었습니다 !