Энергетический профиль: интермедиат, переходное состояние, лимитирующая стадия
Как читать профиль
Энергетический профиль — «карта» реакции: энергия системы по ходу превращения.
Как прочитать профиль
- Переходное состояние (ПС) — вершина: связи наполовину разорваны и образованы; выделить нельзя.
- Интермедиат — впадина между вершинами: реальная частица с конечным временем жизни (карбокатион, радикал).
- Энергия активации \(E_a\) — высота вершины над уровнем, с которого стартует стадия.
- Лимитирующая стадия — та, чьё ПС выше всех на профиле.
- \(\Delta H\) — разница уровней продуктов и исходных веществ.
Примеры
1. \(S_N2\) — одна стадия, одно ПС.
2. \(S_N1\) — две стадии: образование карбокатиона (высокий барьер, лимитирующая) и атака нуклеофила (низкий барьер).
3. Обратная реакция. Если \(E_a = 80\) кДж/моль, \(\Delta H = -20\) кДж/моль, то \(E_a^{\text{обр}} = 80 + 20 = 100\) кДж/моль.
errorПС и интермедиат — не одно и то же
Интермедиат — минимум энергии, его можно в принципе поймать; переходное состояние — максимум, оно существует одно колебание.
edit_noteПопробуйте сами
Профиль: исходные 0, ПС₁ +70, интермедиат +30, ПС₂ +50, продукты −40. Какая стадия лимитирующая?
expand_moreПоказать решение
Первая: её ПС (+70) выше второго (+50).
Скорость и барьер
Высота барьера определяет скорость: каждые 5,7 кДж/моль при 298 К — в 10 раз.
Как сравнить скорости по барьерам
- \(k \propto e^{-E_a/RT}\).
- Разница барьеров \(\Delta E_a\): отношение скоростей \(e^{\Delta E_a/RT}\).
- Нагревание на 10 °C ускоряет типичную реакцию в 2–4 раза.
Примеры
1. Барьеры 60 и 71,4 кДж/моль при 298 К — скорости различаются в \(e^{11{,}4/2{,}48} \approx 100\) раз.
2. Реакция с \(E_a = 50\) кДж/моль при нагревании с 25 до 35 °C ускоряется примерно в \(e^{50(1/298 - 1/308)/R} \approx 1{,}9\) раза.
3. Две конкурирующие реакции одного вещества: быстрее та, у которой ниже барьер (кинетический продукт).
errorБыстрее — не значит выгоднее
Продукт с меньшим барьером образуется быстрее, но может быть менее устойчивым. Это кинетический контроль (глава 14).
edit_noteПопробуйте сами
Во сколько раз быстрее идёт реакция с барьером на 5,7 кДж/моль меньше при 298 К?
expand_moreПоказать решение
В 10 раз.
push_pinГлавное
Переходное состояние — максимум на профиле (не выделяется), интермедиат — минимум между стадиями (живёт конечное время). Энергия активации — высота барьера от исходного уровня до ПС. Лимитирующая стадия — та, чьё переходное состояние выше всех. Катализатор снижает барьер, не меняя \(\Delta H\) и положения равновесия. Барьер обратной реакции \(E_a^{\text{обр}} = E_a - \Delta H\).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.