Механизм энерговыделения в химических реакциях

[openfablab]

Добрый вечер!

Стало интересно, как именно выделяется энергия в химических реакциях, но не смог нигде найти ответа.

Вот, например, самые простые реакции: рекомбинация атомов водорода, или горение его в кислороде. Как именно происходит в них выделение энергии? 

 

Допустим, сблизились два атома водорода. Возникло известное притяжение между электронами и ядрами... и атомы составили молекулу. Выделилась энергия. 

Но куда? В возбужденное состояние электронов этой молекулы? В фотон? В колебания? Никак не могу себе этого вообразить.
 

Изменено 15 Марта, 2018 в 19:00 пользователем openfablab

[Вадим Вергун]

Добрый вечер!

 

Стало интересно, как именно выделяется энергия в химических реакциях, но не смог нигде найти ответа.

 

Вот, например, самые простые реакции: рекомбинация атомов водорода, или горение его в кислороде. Как именно происходит в них выделение энергии? 

 

Допустим, сблизились два атома водорода. Возникло известное притяжение между электронами и ядрами... и атомы составили молекулу. Выделилась энергия. 

 

Но куда? В возбужденное состояние электронов этой молекулы? В фотон? В колебания? Никак не могу себе этого вообразить.

 

С этой реакцией все сложнее чем кажется. 

Она не идет по простой схеме Н+Н = Н2 

Когда молекула образуется она сразу же распадается из-за избытка энергии. Нужна третья частица. Например такая реакция пойдет:

H+H+H2=2H2

Либо тот же процесс на поверхности твердого тела. Тогда энергию уносит третья частица в виде кинетической энергии, а вот что эта частица с ней будет делать, вопрос десятый. 

[openfablab]

С этой реакцией все сложнее чем кажется. 

Она не идет по простой схеме Н+Н = Н2 

Когда молекула образуется она сразу же распадается из-за избытка энергии. Нужна третья частица. Например такая реакция пойдет:

H+H+H2=2H2

Либо тот же процесс на поверхности твердого тела. Тогда энергию уносит третья частица в виде кинетической энергии, а вот что эта частица с ней будет делать, вопрос десятый. 

 

Спасибо, вот уже становится понятнее. Получается, по-видимому, так:

 

1) Как бы ни было сильно взаимодействие между встречающимися издалека атомами, даже будь то ионы противоположных знаков, сами по себе (в отсутствие иных частиц) они не могут объединиться. Они, проходя различные этапы образования связи, разгонятся навстречу, "стукнутся" полями внутренних оболочек или ядер,  будут отпружинены обратно и разлетятся с той же кинетической энергией, с которой сближались. Таким образом, энергия, выделяющаяся при соединении атомов в молекулу всегда (хоть немного) больше энергии самого высокого электронного уровня в этой новой молекуле, при котором она бы еще могла удержаться как целое.

 

2) В момент максимального сближения ядер, сильно искажается (?) структура энергетических уровней и электроны "выбрасываются" на высокий (псевдо?) энергетичекий уровень, больший чем мог бы быть в  цельной молекуле, но меньший чем тот, что нужен для ионизации атома. Если атомы еще разогнаны навстречу, электроны, ушедшие за энергию ионизации, могут и отвалиться.

 

3) Это промежуточное состояние имеет большую энергию и колебательную природу, но я читал, что колебательные уровни энергии в молекулах имеют меньшую энергию, чем электронные. Тут некое противоречие. Или колебательные уровни могут иметь и большую энергию, просто они расположены чаще, так что малы не сами энергии, а разности между ними?

 

4) Переход во вновь образовавшейся молекуле колебательной энергии в электронную может происходить путем передачи кинетической энергии электронам. Значит, у электронов с ростом n растет не только потенциальная, но и кинетическая энергия. Требуют ли этот и обратный процессы точного равенства разностей между колебательными и электронными уровнями? (или "помощи друга" - третьей частицы в отводе избытка энергии). А может, некорректно думать об этих уровнях отдельно, а есть просто разные целостные электронно-колебательные энергетические состояния.

 

5) Если есть какой-то "энергоотвод" - третья частица, растворитель, поверхность и пр. - то часть энергии отдается ему. Можно предположить, что энергия стремится распределиться между объектами так чтобы их кинетические энергии ("температуры") выровнялись, и поэтому тяжелые и сложные, со многими степенями свободы, "энергоотводящие" частицы могут забрать на себя львиную долю энергии.  И при рекомбинации сложных частиц таких проблем не возникает. А в реакции H+H+H2=2H2  "старой" молекуле водорода может передаться до половины энергии. Еще, видимо, взаимодействие при котором передается энергия ограничено по времени, да и геометрически соприкоснуться могут три частицы по разному, потому реальная отдача энергии третьей частице обычно может и не успевать доходить до выравнивания "температур". Эти явления известным образом сказываются на зависимостях скоростей газофазных реакций от давления и температуры.

 

6) В разреженной среде, где вероятность трехчастичного столкновения очень мала, рекомбинация невозможна даже при криогенных температурах. Поэтому в космосе так много плазмы, ионов и радикалов. Хотя... кажется, там мала и вероятность двухчастичного столкновения  . 

 

7) Казалось бы, это значит, что при низком давлении может сколь угодно существовать без рекомбинации плазма. Но на практике она светится и пропадает. Например, в газоразрядных лампах. Происходит ли при этом трехчастичный процесс (т.е. давление не настолько уж низкое), а потом уже излучательный переход, или происходит рекомбинация ион+электрон или радикал+радикал сразу с излучением избытка энергии в виде фотона?  Возможны ли химические реакции простых молекул, где вместо третьей частицы избыток энергии сразу же уносит фотон?

 

8) Изолированная простая молекула в возбужденном состоянии излучает фотон "сразу же" или через некоторое время после появления, или же только при взаимодействии с третьей частицей? Или может спокойно пребывать вечно в этом состоянии?

 

 

Эти вопросы возникли у меня при попытке написать программку для моделирования простых реакций в Panda3D. Нарисовал два шарика и задал им ньютоновские законы и потенциальную кривую с минимумом энергии на некотором расстоянии. Каково было мое удивление, когда оказалось, что они с некоторого расстояния не могут рекомбинировать в молекулу - именно разлетаются от избытка энергии.    Тогда я решил, что что-то не так смоделировал,  поставил их вручную на расстоянии, не далеком от минимума энергии - и молекула образовалась. А получается, все так и должно было быть - закон сохранения энергии не проведешь. 

[Хоббит)]

А что, литературы нет в сети по данным вопросам ?!

Выделившаяся при слиянии в молекулу энергия распределяется между степенями свободы движения масс - колебательными, вращательными, поступательными... Так же есть некоторая считаемая по температуре вероятность ионизации, образования радикалов и излучения фотонов ( от колебания зарядов )...

[openfablab]

А что, литературы нет в сети по данным вопросам ?!

Выделившаяся при слиянии в молекулу энергия распределяется между степенями свободы движения масс - колебательными, вращательными, поступательными... Так же есть некоторая считаемая по температуре вероятность ионизации, образования радикалов и излучения фотонов ( от колебания зарядов )...

Да я как-то не очень понял,  в какой литературе это искать. Посмотрел и про кинетику, и про лазеры и про спектры. В итоге понял: зря я рассматривал энергию электронов и колебаний отдельно, они составляют единое целое - тогда все  становится на свои места.

[antabu]

http://lebed.com/2018/7218.htm