问题

如何理解在某条件下热力学上可顺利进行的反应会出现动力学障碍?

回答
很多化学反应,我们翻开一本热力学课本,看着里面的能量图,算算焓变、熵变,再结合温度一乘,得到一个负的吉布斯自由能变,就觉得这个反应“妥了”,是“顺着自然趋势”的。但这就像是说,一块石头放在山顶,它“热力学上”是想滚下去的,因为它处于高势能状态,滚下去势能会减少,这是一个自发过程。

然而,石头真要滚下去,也得有人推它一把,或者有足够大的风把它吹动。它自己并不会“自觉”地就滚下来。这就是我们今天要聊的“动力学障碍”。

热力学上的“允许”与动力学上的“阻碍”

我们先梳理一下这两个概念。

热力学上的顺利进行(Spontaneity):这主要由吉布斯自由能(G)的改变来决定。一个反应在恒温恒压下,如果 $Delta G < 0$,那么这个反应在热力学上是自发的,也就是“可能”向产物方向进行。 $Delta G$ 的核心计算公式是 $Delta G = Delta H TDelta S$。
$Delta H$(焓变)反映了反应过程中能量的变化,放热反应($Delta H < 0$)通常有利于自发。
$Delta S$(熵变)反映了系统混乱度的变化,熵增($Delta S > 0$)通常有利于自发。
$T$(温度)是绝对温度,它会影响熵的贡献。

所以,一个反应即使需要吸收很多能量($Delta H > 0$),但如果它能带来巨大的混乱度增加($Delta S gg 0$),并且在足够高的温度下,也可能 $Delta G < 0$,从热力学上看就是允许的。

动力学上的障碍(Kinetic Barrier):即便热力学上允许,反应也不一定能“马上”发生,或者说,发生的速度可能非常慢。这就是动力学范畴。动力学主要关注的是反应发生的速率,而不是反应是否会发生。

为什么会有动力学障碍?主要原因在于,分子要发生化学反应,并不是简单地“碰一下”就能行。它们需要满足一些活化条件。

动力学障碍的本质:活化能

最核心的动力学障碍是活化能(Activation Energy,$E_a$)。

想象一下,我们要把那块山顶的石头推下去。它虽然想滚,但它在山顶的那个位置是被“固定”住的。要让它开始动,我们需要克服一个“初始的阻力”。

在化学反应中,分子也一样。要让反应物分子变成产物分子,它们通常需要经历一个过渡态(Transition State)。这个过渡态是一个非常不稳定、能量很高的中间状态,反应物分子在这个状态下,旧的化学键在断裂,新的化学键在形成。

从反应物的初始能量状态到过渡态的能量状态,需要克服一个能量上的“山峰”。这个能量上的“山峰”的高度,就是活化能。

反应物能量 → 活化能 → 过渡态能量 → 产物能量

如果一个反应的活化能很高,那么在给定的温度下,能够获得足够能量来克服这个“能量山峰”的反应物分子数量就非常少。这就好比,我们要推石头下山,但“推的力气”可能需要很大,而我们手上能用的“力气”又很有限,所以石头很难动起来。

哪些因素导致高活化能?

1. 键的断裂:很多化学反应都需要断裂反应物分子中的化学键。断裂化学键需要吸收能量,这本身就会增加活化能。如果反应物分子中含有一些非常稳定的化学键(例如,共价键很强,或者键的极性很小,不易被极性试剂攻击),那么断裂这些键所需的能量就会很高,从而导致活化能升高。

2. 分子重排和构象变化:分子在反应前可能需要改变自身的空间构象,以便反应活性中心能够相互靠近并发生有效的碰撞。如果分子结构复杂,或者需要进行复杂的分子内重排,这个过程可能需要克服较大的能量障碍。

3. 反应机理:即使热力学上允许,实际反应也需要遵循一定的反应机理,也就是一系列的基元反应。如果反应机理中包含了许多高活化能的基元反应步骤,那么整个反应的速率就会受到这些步骤的限制。

4. 空间位阻(Steric Hindrance):分子中的某些基团可能体积较大,会阻碍反应活性中心之间的靠近和碰撞。如果反应物分子结构庞大、复杂,或者两个分子需要准确地碰撞在特定的活性位点上,空间位阻就会成为一个动力学障碍。

5. 电子结构和轨道对称性:在某些反应中,反应物和产物之间的轨道能量和对称性不匹配。例如,根据伍德沃德霍夫曼规则(WoodwardHoffmann rules)所描述的电子对称性规则,某些协同反应(conrotatory or disrotatory ring opening/closing)如果要求的是“禁阻的”电子运动方式,那么它们需要更高的活化能,甚至在热条件下是不允许的(但在光照条件下则可能允许)。

6. 聚集状态和相:在固相或液相中,分子的运动和碰撞与气相不同。在凝聚相中,分子之间存在相互作用力,扩散和碰撞的效率也可能影响反应速率。

类比:一个人想发财

我们再用个更贴近生活的类比:

热力学上的允许(想发财):你可能有一个绝佳的商业想法(比如,发现了一个市场空白,或者能制造出非常受欢迎的产品),这个想法从长远看,如果实现,肯定能带来巨大的财富。这就像一个反应, $Delta G < 0$,理论上是“应该”能赚钱的。

动力学上的障碍(发不了财):
缺乏启动资金(高活化能):即使想法很好,你可能没有钱去租厂房、买设备、雇员工。这个“启动资金”就像是活化能,你没有足够多的“能量”来启动这个事业。
缺乏关键技能/知识(反应机理受阻):你可能不知道如何生产这个产品,不知道如何管理团队,不知道如何进行市场推广。这些“技能”就像是反应的步骤,你缺少关键的一两步,整个流程就跑不起来。
市场竞争激烈/行业壁垒(空间位阻/稳定键):即使你启动了,也可能面临强大的竞争对手,他们的产品已经占据了市场,或者你的产品在专利、许可等方面有障碍,这使得你的产品很难进入市场并实现盈利。这就像你的产品(反应物)很难“碰撞”到有利可图的市场(产物)。
政策限制/法规障碍(不匹配的电子结构):某个行业可能受到严格的政策监管,或者需要特殊的行业许可证,而你暂时不符合要求。这就像你的“反应”需要遵循一套规则,而你现在并不满足这些规则。

所以,一个人“想”发财(热力学允许),但能不能“真”发财(动力学上顺利进行),取决于他是否有足够的启动资金、掌握必要的技能、能克服市场困难等一系列“动力学”因素。

催化剂的作用

我们知道,催化剂可以加速反应。从动力学角度看,催化剂的作用就是降低活化能。它通过提供一个新的反应途径,这个途径的过渡态能量比原来低。就像是为推石头下山,在半山腰挖了一条更平缓的坡道。

而催化剂并不改变反应的热力学。它不会让一个原本 $Delta G > 0$ 的反应变成 $Delta G < 0$,也不会改变反应的最终产物。它只是让本来“允许”但速度很慢的反应,变得“快起来”。

总结一下

当我们在讨论一个反应“在某条件下热力学上可顺利进行”时,我们说的是这个反应趋势上会向产物方向移动,最终的产物状态比反应物状态能量更低(或者说更稳定、更混乱)。这是一个“方向性”的判断。

但“动力学障碍”就像是在这个“允许”的方向上,立起了一堵“能量墙”。只有当有足够多的反应物分子获得足够的能量(通过热运动),或者有外力(比如催化剂)的帮助,能够越过这堵墙(克服活化能)到达过渡态,反应才能真正地发生,并以一定的速率进行。

所以,一个反应“热力学上允许”只是说它有“可能”,但“动力学障碍”决定了它“会不会”发生,以及“以多快的速度”发生。它们是理解化学反应的两个不同但都至关重要的视角。很多时候,我们看到的许多看似“稳定”的物质(比如,氧气和氢气混合在一起,生成水的反应 $Delta G < 0$ 是非常大的,热力学上极易进行),实际上就是因为它们具有很高的活化能,在常温常压下,反应速度慢到可以忽略不计,因此在我们看来它们是“稳定”的。直到我们引入火花(提供活化能)或者催化剂,它们才会戏剧性地迅速反应。

网友意见

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热力学保证的是无穷长时间之后会发生的事。怎么发生不保证。

动力学研究的就是到底多久能发生。比如说金刚石不稳定,无穷长时间之后必然要变成石墨一类的东西。但是大家结婚还是会去买钻戒。广告里也标榜:钻石恒久远,一颗永流传。这个广告词从热力学上来说是要向全国人民谢罪的。(热力学保证了让一个人少交智商税!在此郑重推荐王竹溪的《热力学》!)

至于动力学问题,推荐一本好书:

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热力学(或能量学)考虑的是平衡态下的状态分布,它的核心物理量是自由能(能量)差值。

而动力学考虑的是达到平衡态之前的演变过程和速率,其核心物理量是自由能(能量)势垒。

假设反应过程中的能垒变化如上图所示,体系中只存在两个稳定状态,对应 和 两个能级。

在 这个过程中,能量并不是单调的下降,而是要先提高 ,跨过能垒后然后才能下降。这个反应发生的动力学速率:

在一定温度下,反应的动力学速率由反应物浓度 和能垒决定,与 这个差值无关

但如果有无穷的时间的话,无论反应速率多小,体系最终都会达到平衡态。平衡态下, 和 过程的速率相等,即:

此时的状态分布

所以体系的平衡浓度由 这个差值决定,与能垒无关

所以,当 时,反应是能够进行的。但同时 这个能垒如果很高的话,反应进行的会很慢,在有限时间内可以认为不发生。

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