20.17
Термодинамическая выгодность реакции определяется изменением свободной энергии Гиббса (ΔG). ΔG состоит из двух компонентов: энтальпии (ΔH) и энтропии…
Радикальное галогенирование алканов имеет разный порядок реакционной способности для различных галогенов.
Эту разницу можно понять из термодинамики реакции.
Для галогенирования алканов энтропийный член пренебрежимо мал, так как количество реагентов и молекул продукта одинаково. Следовательно, ΔG становится эквивалентом ΔH.
Рассмотрим радикальное фторирование метана. Энтальпия реакции оценивается по энергиям диссоциации связей разорванных и образовавшихся связей.
Общий ΔH для реакции отрицательный и большой, что делает реакцию термодинамически благоприятной, но очень взрывоопасной и непрактичной.
И наоборот, для йодирования положительное значение ΔH делает его термодинамически неблагоприятным и невозможным.
Поэтому термодинамически благоприятными и практически осуществимыми являются только хлорирование и бромирование с отрицательными значениями ΔH.
Сравнение этих двух реакций показывает, что бромирование происходит медленнее, чем хлорирование.
Более пристальный взгляд на отдельные этапы размножения показывает, что первая стадия размножения бромирования является более эндотермической, что влияет на общую скорость реакции.
Поскольку чистая реакция все еще является экзотермической, бромирование происходит, но медленно.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.