Domanda:
Perché N₂ è stabile ma HCN e C₂H₂ instabili?
Nathaniel
2014-06-12 14:31:05 UTC
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I composti con tripli legami generalmente sembrano essere instabili. $ \ ce {HCN} $ e $ \ ce {C2H2} $ sono molecole ad alta energia, relativamente di breve durata che polimerizzano prontamente o reagiscono con altre molecole organiche. La mia immagine mentale ingenua è che non vogliono davvero avere un triplo legame perché la geometria lo rende scomodo, quindi faranno qualsiasi cosa per trasferire un elettrone da qualche altra parte e trasformarlo invece in un doppio o in un legame singolo.

Ma $ \ ce {N2} $ sembra essere un'eccezione. Secondo il mio ragionamento ingenuo, quando un $ \ ce {N2} $ incontra una molecola organica dovrebbe essere ansioso di scrollarsi di dosso il suo triplo legame e unirsi alla festa. Ma in realtà questo non accade e gli organismi che fissano l'azoto devono fare un bel po 'di lavoro per fare in modo che l'azoto partecipi alle molecole organiche.

Quindi la mia domanda è: di cosa si tratta $ \ ce { N2} $ che rende il suo triplo legame così energeticamente favorevole mentre $ \ ce {C # C} $ e $ \ ce {C # N} $ sono così sfavorevoli?

Nota che questa domanda non lo è sulla reattività con $ \ ce {O2} $ ma piuttosto con molecole organiche. Mi interessa sapere perché è così difficile per $ \ ce {N2} $ reagire con le molecole organiche in generale, dato che altre molecole con tripli legami sembrano reagire con loro molto facilmente.

(Informazioni per guidare l'ambito delle risposte: arrivo a questo da un background di fisica, quindi i concetti termodinamici possono essere interpretati, ma mi perdo rapidamente quando si tratta di elettroni, orbitali e così via, da qui la domanda piuttosto basilare.)

Immagino che la spiegazione più semplice sia che la differenza di energia del legame tra N $ \ equiv $ N e N $ = $ N è di circa 500 kJ mol $ ^ {- 1} $, mentre C $ \ equiv $ C e C $ = $ C sono circa 200 kJ mol $ ^ {-1} $ .http: //chemwiki.ucdavis.edu/Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles/Bond_Energies Per HCN, ci sono altri canali, come HCN $ \ rightarrow $ H $ ^ + $ + CN $ ^ - $. La domanda successiva è: perché la differenza di energia del legame di N $ _2 $ è molto più grande di HCCH. Il Kohn-Sham HOMO (so che è problematico, ma N $ _2 ^ + $ è un fallimento di Hartree-Fock) di N $ _2 $ e HCCH sono $ \ sigma $ e $ \ pi $ orbitali, il primo è più stabile
Parte della risposta deve avere a che fare con i possibili meccanismi disponibili per una reazione con qualcosa che accada. Non ci sono reazioni facili che iniziano con il diazoto, ma molte altre facili che iniziano con l'acetilene o l'acido cianidrico (ma non tutte iniziano con il triplo legame).
Una risposta:
bobthechemist
2014-06-12 17:56:54 UTC
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Penso che a questa domanda si possa rispondere abbastanza bene con considerazioni termodinamiche. Quando diciamo che qualcosa è stabile, si presume (o si dovrebbe) presumere che il composto non si innesti in una reazione chimica. Quando parliamo della stabilità dei composti, è importante concentrarci non solo sul composto stesso, ma su quali sono i prodotti della reazione .

I tre tripli legami menzionati ($ \ ce {N # N} $, $ \ ce {C # N} $ e $ \ ce {C # C} $) hanno tutte energie di dissociazione del legame molto elevate (da varie fonti come questa sono $ \ approx950, 940 \ text {e} 960 \: \ mathrm {kJ / mol} $) quindi tutti questi tripli legami richiedono una grande quantità di energia per rompersi.

Ora, quando pensiamo alla stabilità dell'acetilene, sospetto che la maggior parte delle persone stia pensando alla sua stabilità verso l'accensione (che è stata studiata, tra l'altro). Questo ci dà una reazione che possiamo esplorare, vale a dire la combustione di acetilene in presenza di ossigeno per produrre anidride carbonica e acqua. WolframAlpha può calcolare la termodinamica di questa reazione, dando un risultato di $ -2600 \: \ mathrm {kJ / mol} $; chiaramente una reazione molto esotermica.

Vediamo ora la combustione dell'azoto in presenza di ossigeno, che potrebbe formare biossido di azoto. Di nuovo, WolframAlpha (Nota, se ti capita di giocare con WA, assicurati di mettere la tua reazione tra virgolette o non verrà interpretata correttamente) ci dà un risultato di +66 kJ / mol o una reazione endotermica.

Cosa ne pensiamo di questi risultati? Concentrandoci sui prodotti vediamo che per la combustione dell'acetilene, c'è una grande quantità di energia rilasciata durante la creazione dei prodotti. Lo stesso non vale per i prodotti della combustione dell'azoto.

In sintesi, quando si considera stabilità, dobbiamo pensare a ciò che intendiamo con la parola, poiché quel significato porterà a una reazione chimica, e gli strumenti utilizzare per descrivere le reazioni chimiche ci aiuta a quantificare tale stabilità.

Grazie. Sono sicuro che quello che dici è giusto, ma come speravo fosse chiaro dalla domanda, non sono così interessato alle reazioni con l'O2 come con altre molecole organiche. Non sto chiedendo "perché l'N2 non brucia" ma "perché generalmente non reagisce con le biomolecole?"
@Nathaniel potresti voler modificare la domanda per chiarire questo punto (soprattutto perché ti riferisci a molecole organiche ma non a biomolecole). La risposta sarà la stessa (bisogna considerare l'energia di formazione dei prodotti) solo nel caso di biomolecole (di cui sono tante) le reazioni saranno più complicate. Se hai in mente una reazione particolare, ciò potrebbe aiutare a portare le persone a una risposta utilizzabile.
In particolare * non * ho in mente una reazione particolare. Mi chiedo perché, * in generale *, è difficile reagire N2 con molecole organiche, motivo per cui ho chiesto aiuto ai chimici piuttosto che cercare semplicemente il delta-G. Modificherò la domanda per chiarirlo, anche se in realtà lo dice già.
Non sono d'accordo sul tuo utilizzo di [stable] (http://goldbook.iupac.org/S05900.html), il significato che stai insinuando è quello di [unreactive] (http://goldbook.iupac.org/U06567. html). Stabile dovrebbe essere usato nel senso di "è una specie chimica isolabile".


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Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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