20.17
반응의 열역학적 선호도는 깁스 자유 에너지(ΔG)의 변화에 의해 결정됩니다. ΔG에는 엔탈피(ΔH)와 엔트로피(ΔS)의 두 가지 부분으로 나뉩니다. 알칸 할로겐화에서는 반응물과 생성물 분자의 수가 동일하기 때문에 엔트로피 성분은 무시할 수 있습니다. 이 경우 ΔG는 엔…
알칸의 라디칼 할로겐화는 다른 할로겐에 대한 다른 반응성 순서를 따릅니다.
이 차이는 반응의 열역학에서 이해할 수 있습니다.
알칸 할로겐화의 경우, 엔트로피 항은 반응물과 생성물 분자의 수가 동일하기 때문에 무시할 수 있습니다. 따라서 ΔG는 ΔH와 동일해집니다.
메탄의 급격한 불소화를 생각해 보라. 반응의 엔탈피는 결합이 끊어지고 형성된 결합의 결합 해리 에너지에서 추정됩니다.
반응에 대한 전체 ΔH는 음수이고 커서 반응이 열역학적으로 유리하지만 폭발성이 높고 실용적이지 않습니다.
반대로, 요오드화의 경우 양의 ΔH 값은 열역학적으로 바람직하지 않고 달성이 불가능합니다.
따라서 음의 ΔH 값을 갖는 염소화 및 브롬화만이 열역학적으로 유리하고 실질적으로 실현 가능합니다.
두 반응을 비교하면 브롬화가 염소화보다 느리다는 것을 알 수 있습니다.
개별 전파 단계를 자세히 살펴보면 브롬화의 첫 번째 전파 단계가 흡열이 더 많아 전체 반응 속도에 영향을 미친다는 것을 알
수 있습니다.그물 반응은 여전히 발열성이기 때문에 브롬화가 발생하지만 천천히 발생합니다.
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Q1: Why is radical fluorination of methane thermodynamically favorable but impractical?
Radical fluorination of methane has a large negative enthalpy change (ΔH = -431 kJ/mol), making it thermodynamically favorable. However, the reaction is highly exothermic and explosive, releasing extreme energy that makes it dangerous and unsuitable for laboratory or synthetic applications.
Q2: What determines whether radical halogenation of alkanes is thermodynamically favorable?
For alkane halogenation, entropy change is negligible because reactant and product molecule counts are equal, so Gibbs free energy (ΔG) depends solely on enthalpy (ΔH). The strength of bonds broken versus bonds formed determines ΔH. A negative ΔH indicates a thermodynamically favorable reaction.
Q3: Why is radical iodination of alkanes thermodynamically impossible?
Radical iodination has a positive enthalpy change (ΔH = +55 kJ/mol), resulting in a positive Gibbs free energy value. This positive ΔG makes the reaction thermodynamically unfavorable and prevents it from occurring under normal conditions, making iodination impossible to achieve.
Q4: How do chlorination and bromination compare in terms of reaction rate?
Bromination is slower than chlorination. The first propagation step (hydrogen abstraction) is exothermic for chlorination with low activation energy, but endothermic for bromination with high activation energy. Despite bromination's negative overall ΔH (-33 kJ/mol), the endothermic first step limits its rate.
Q5: What role does bond dissociation energy play in radical halogenation thermodynamics?
Bond dissociation energy determines the enthalpy change by comparing energy required to break bonds versus energy released when forming new bonds. Lower bond dissociation energies for bonds broken and higher energies for bonds formed produce more negative ΔH values, favoring thermodynamically favorable halogenation reactions.
Q6: Why are only chlorination and bromination practically feasible among halogenation reactions?
Chlorination (ΔH = -104 kJ/mol) and bromination (ΔH = -33 kJ/mol) both have negative enthalpy changes, making them thermodynamically favorable. Fluorination is too explosive, and iodination is thermodynamically unfavorable. This makes chlorination and bromination the only practical radical halogenation methods for alkanes.
Q7: How does the rate-determining step affect bromination versus chlorination?
The rate-determining step is hydrogen abstraction, the first propagation step. For chlorination, this step is exothermic with small activation energy, enabling fast reaction. For bromination, this step is endothermic with large activation energy, creating a kinetic barrier that slows the overall reaction despite favorable thermodynamics.