Кто "переносчик теплоты" при образовании ковалентной связи?

[Igor55]

Здравствуйте!
Я понимаю "теплоту" так:
Пусть есть два "куска" газа. В одном молекулы имеют среднюю скорость 200 м/с, в другом 100 м/с. Приведем эти два куска в соприкосновение. Но куски при этом отделены тонкой стенкой. Тогда (грубо говоря) более быстрые молекулы одного куска сталкиваются с более медленными молекулами другого куска - и разгоняют их.
Это называется "передача теплоты". Можно сказать, что носителями теплоты являются молекулы.

Теперь пусть происходит химическая реакция:
$ H_2 + Cl_2 = 2HCl $

Химики здесь говорят так:
"При создании связи H-Cl выделяется теплота. Эта теплота тратится на разрыв связи H-H."

Как физически (на образах движущихся частиц и столкновений) представить вот эти "выделение теплоты" и "трату теплоты"? Какое движение в действительности происходит, которое мы описываем как "выделение теплоты" ? Тут ведь нет быстрых и медленных молекул. Какие частицы здесь являются переносчиками/носителями теплоты?

(Это понимание мне нужно для того, чтобы, например , далее попытаться понять, почему при образовании молекул H2 и HCl "выделяется" разное количество теплоты.)

[Pphantom]

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

Химики здесь говорят так:
"При создании связи H-Cl выделяется теплота. Эта теплота тратится на разрыв связи H-H."

Странно было бы, если бы они так говорили. Причинно-следственные связи нарушаются.

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

Как физически (на образах движущихся частиц и столкновений) представить вот эти "выделение теплоты" и "трату теплоты"?

Исхитриться и придумать что-то, наверное, можно, но зачем? Образ сталкивающихся частиц и т.п. более-менее хорош в ситуации, когда в системе есть только кинетическая энергия. Тут же есть взаимодействия, поэтому адекватным такое описание не будет.

[Andrey_Kireew]

Ну, раз при разрыве связи поглощается энергия, то и представьте, что атомы, полученные в результате разрыва, будут двигаться медленнее, чем исходная молекула. При соединении - наоборот, полученная молекула будет двигаться быстрее, чем исходные атомы. Но это всё до первого соударения с соседней молекулой или атомом.

[madschumacher]

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

Как физически (на образах движущихся частиц и столкновений) представить вот эти "выделение теплоты" и "трату теплоты"? Какое движение в действительности происходит, которое мы описываем как "выделение теплоты" ? Тут ведь нет быстрых и медленных молекул. Какие частицы здесь являются переносчиками/носителями теплоты?

Да, всё правильно Вам сказали:

Andrey_Kireew в сообщении #1352808 писал(а):

При соединении - наоборот, полученная молекула будет двигаться быстрее, чем исходные атомы. Но это всё до первого соударения с соседней молекулой или атомом.

т.е. "переносчиками теплоты" и правда будут выступать всё те же атомы/молекулы, образующиеся в системе.

Но в химических реакциях реальность ещё сложнее и веселее, и в этом смысле $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$ офигенный пример для разбора. "Выделение энергии в ходе реакции" -- это термодинамический взгляд на вещи: вот у вас был сосуд, наполненный смесью водорода и хлора, вот Вы ушли попить кофе или пивка, отставив эту несчастную смесь на растерзание лаборантам, а когда вернулись, то обнаружили, что эта смесь нагрела чайник, превратилась в солянку, а лаборанты сидят и попивают чаёк.
Но на деле, в механизме "нагрева" важна именно кинетическая сторона процесса, а она тут весьма и весьма разнообразная.

Начнём с того, что нахаляву реакция в газе практически никогда идти не будет, и если Вы оставите эту смесь в шкафу (в темноте) при комнатной температуре, то она такой же и останется даже через 1000 лет.
Чтобы энергия начала выделяться, нужно инициировать реакцию. В данном случае это можно сделать, например,

• равномерно нагрев систему до нескольких тыщ градусов (не круто, т.к. там термодинамика поменяется, и равновесие сместится),
• нагрев не всю систему, а только локально, внеся аккуратно туда искру,
• подключить фотохимию, посветив фотонами определённой длины волны, чтобы "порвать" молекулу $\mathrm{Cl_2}$ (конкретные детали этого опустим).

Последние 2 варианта в случае простой газовой смеси создают очень сильный локальный нагрев, рвутся молекулы хлора, из-за чего образуются 2 быстролетящих атома хлора с неподелённой электронной парой (радикалы): $\mathrm{Cl_2 \rightarrow 2 Cl^\cdot }$. Эти активные частицы начинают огромный каскад разных процессов, типа атаки атомов на другие молекулы $\mathrm{H_2 +Cl^\cdot \rightarrow HCl + H^\cdot }$ (эта реакция сохраняет число радикалов).

(Оффтоп)

серьёзно, это одна из самых изученных газофазных реакций на свете, более 100 элементарных стадий с константами и прочей ерундой. И в частности, за неё был дана единственная 1/3 советского нобеля по химии...

И тут, в частности, возможны процессы умножения числа активных радикалов, типа $\mathrm{Cl_2 + Cl^\cdot \rightarrow 3 Cl^\cdot }$. Конечно, при разрыве связи часть кинетической энергии радикалов уходит на собственно энергию разрыва, но из-за того, что в реакциях, включающих образование солянки (типа уже приведённой $\mathrm{H_2 +Cl^\cdot \rightarrow HCl + H^\cdot }$) выделяется теплота, и новый радикал будет улетать с ну очень большой скоростью, то в целом кинетическая энергия летающих молекул и атомов будет расти.

А дальше в игру вступает общая конфигурация реакционной среды (т.е. объём и форма системы, давление в системе, относительные концентрации реагентов и т.д.), потому что, если давление будет достаточно большим, то атомы будут сталкиваться достаточно часто, и кинетическая энергия системы (читаем -- температура) будет расти очень быстро, следовательно расти по уравнению $PV=nRT$ будет расти и температура (при фиксированном объёме), и мы получаем взрыв.
Играясь с формой сосуда, например, добавив большую площадь поверхности, мы получим отвод тепла, т.е. быстрые атомы и молекулы смогут скидывать лишнюю энергию не друг другу, как горячую картошку, а стенкам, а те в свою очередь будут отдавать её (в виде колебательного возбуждения) молекулам внешней среды.

Помимо этого существует возможность подключить поверхность с самого начала, да не простую, а активную. Т.е. воспользоваться гетерогенным катализом (реакционная смесь -- газ, а катализатор -- поверхность твердого тела). Для этого надо взять хорошее нечто (что именно не знаю, но наугад предположу платину, палладий или родий), что

• достаточно хорошо сорбирует реакционные молекулы (молекулы садятся на поверхность и начинают по ней туды-сюды ходить),
• но недостаточно хорошо, чтобы реагенты и продукты не могли с неё улететь обратно в газ,
• электронная структура всего этого безобразия должна подходить электронной структуре реагентов в том смысле, что при их взаимодействии энергия, необходимая на разрыв связей в $\mathrm{H_2 \rightarrow 2H^\cdot}$ (именно этим и славятся платиновые металлы), или в $\mathrm{Cl_2 \rightarrow 2Cl^\cdot}$ понижается.

В результате последнего требования на поверхности самопроизвольно образуются радикалы, которые как и молекулы тоже начинают двигаться по поверхности,

(Оффтоп)

на самом деле, движение молекул и атомов по поверхности по свойствам будет напоминать 2-мерный (идеальный, или не очень) газ.

и в какой-то момент они будут встречаться и вступать в каскад реакций, аналогичных (или не очень) своим газофазным собратьям.
Избыток же энергии молекулы смогут отводить этой самой подложке, т.е. атомы в решётке катализатора начнут колебаться быстрее. За счёт этого подобные радикальные реакции можно проводить достаточно безопасным образом (вспоминаем эпизод с получением воды в фильме/книге "Марсианин").

Как-то так.

P.S.

Pphantom в сообщении #1352804 писал(а):

Тут же есть взаимодействия, поэтому адекватным такое описание не будет.

Короче, тут межмолекулярными взаимодействиями можно и пренебречь, если Вы об этом вели речь.

[Munin]

Pphantom в сообщении #1352804 писал(а):

Странно было бы, если бы они так говорили. Причинно-следственные связи нарушаются. :-)

Да не очень. Например, энергия, полученная при возникновении одной молекулы, может быть использована на создание следующей.

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

Как физически (на образах движущихся частиц и столкновений) представить вот эти "выделение теплоты" и "трату теплоты"?

До определённого предела это просто не нужно. Забивание головы лишними вещами.

Если вы полезете в кинетику реакций (кинетику в физическом смысле, а не в химическом), вот тогда придётся этим заняться. Но не раньше.

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

Тут ведь нет быстрых и медленных молекул.

Как раз вполне есть.

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

(Это понимание мне нужно для того, чтобы, например , далее попытаться понять, почему при образовании молекул H2 и HCl "выделяется" разное количество теплоты.)

Нет, для этого - то, что вы спрашиваете, совсем не нужно. Достаточно просто воображать себе разные уровни потенциальной энергии для разных систем.

[madschumacher]

Munin в сообщении #1352826 писал(а):

Если вы полезете в кинетику реакций (кинетику в физическом смысле, а не в химическом)

В смысле?!

[Pphantom]

madschumacher в сообщении #1352822 писал(а):

Короче, тут межмолекулярными взаимодействиями можно и пренебречь, если Вы об этом вели речь.

Нет, я про химические связи.

[rascas]

Igor55 в сообщении #1352783 писал(а):

(Это понимание мне нужно для того, чтобы, например , далее попытаться понять, почему при образовании молекул H2 и HCl "выделяется" разное количество теплоты.)

Атомы $\mathrm{H}$ и $\mathrm{Cl}$ отличаются друг от друга. Например, они разные по соотношению (размер)/(заряд электрона). Поэтому вполне естественно, энергия химической связи в молекулах $\mathrm{H_2}$ и $\mathrm{HCl}$ разная и как следствие выделяется разное кол-во тепла при их образовании.
Как пример могу привести, если к стальной пластине поднести слабый магнит он притягивается с маленькой силой. А если поднести к той же пластине сильный магнит он притягивается сильней.

[Munin]

madschumacher в сообщении #1352828 писал(а):

В смысле?! :|

В смысле, скорее, я подразумевал что-то типа "школьного" упоминания кинетики на химии - с феноменологическими, ничем не оправданными константами. И с другой стороны, рассуждения на уровне физической МКТ (молекулярно-кинетической теории), со статистическими распределениями наподобие Максвелла-Больцмана, и со столкновением частиц по законам сохранения энергии и импульса.

-- 09.11.2018 11:37:58 --

rascas в сообщении #1352835 писал(а):

Атомы $\mathrm{H}$ и $\mathrm{Cl}$ отличаются друг от друга. Например, они разные по соотношению (размер)/(заряд электрона). Поэтому вполне естественно, энергия химической связи в молекулах $\mathrm{H_2}$ и $\mathrm{HCl}$ разная и как следствие выделяется разное кол-во тепла при их образовании.

Вообще-то нет, она разная по другой причине.

[rascas]

Munin в сообщении #1352838 писал(а):

rascas в сообщении #1352835 писал(а):

Атомы $\mathrm{H}$ и $\mathrm{Cl}$ отличаются друг от друга. Например, они разные по соотношению (размер)/(заряд электрона). Поэтому вполне естественно, энергия химической связи в молекулах $\mathrm{H_2}$ и $\mathrm{HCl}$ разная и как следствие выделяется разное кол-во тепла при их образовании.

Вообще-то нет, она разная по другой причине.

Конечно, в строении атомов всё гораздо сложнее. Просто я попытался сказать Igor55, что нет ничего странного, что в нашей вселенной, энергии химической связи различаются, у различных атомов. А описывать всё текущее состояние знаний человечества о строении электронов, атомов и др. на форуме я пока не готов, есть соответствующая литература.

[madschumacher]

Munin в сообщении #1352838 писал(а):

В смысле, скорее, я подразумевал что-то типа "школьного" упоминания кинетики на химии - с феноменологическими, ничем не оправданными константами.

Ну как раз "феноменологические" константы -- это ничуть не менее важная, а так же не менее сложная вещь для получения. Вытаскивать их из эксперимента не особо проще, чем считать теоретически. Тем более, чтобы их определить (константы элементарных стадий), надо устанавливать механизм.
При этом данные величины потом используются в важных вещах: расчётах химических реакторов для пром.процессов, в физике горения и взрыва, даже в астрохимии, скажем, при моделировании процессов образования сложных молекул в каких-нибудь протопланетных дисках.
Так что не надо так к феноменологии пренебрежительно относиться.

Тем более, что

Цитата:

A theory is something nobody believes, except the person who made it. An experiment is something everybody believes, except the person who made it.

rascas в сообщении #1352835 писал(а):

Например, они разные по соотношению (размер)/(заряд электрона).

Размер атома -- сложное и неоднозначное понятие. И при чём ту его отношение к заряду электрона -- совершенно непонятно.
А принципиальные основы того, почему одни хим.связи "крепче" других, вполне себе неплохо объясняется в школьном курсе химии.

[Munin]

madschumacher в сообщении #1352856 писал(а):

Ну как раз "феноменологические" константы -- это ничуть не менее важная, а так же не менее сложная вещь для получения.

Согласен. Просто обсуждение на этом уровне мало что добавляет к пониманию.

madschumacher в сообщении #1352856 писал(а):

Так что не надо так к феноменологии пренебрежительно относиться. :wink:

Ни в коем случае! Просто это не первое, что надо рассказывать новичку.

rascas в сообщении #1352849 писал(а):

Просто я попытался сказать Igor55, что нет ничего странного, что в нашей вселенной, энергии химической связи различаются, у различных атомов.

Пардон, энергия химической связи относится не к атомам, а к молекулам. Вместо помощи вы сбиваете с толку.

[rascas]

Munin в сообщении #1352886 писал(а):

Пардон, энергия химической связи относится не к атомам, а к молекулам.

Спасибо что заметили не точность моего сообщения.
Исправленная версия сообщения:

Цитата:

Конечно, в строении атомов всё гораздо сложнее. Просто я попытался сказать Igor55, что нет ничего странного, что в нашей вселенной, энергии химической связи различаются, у молекул, состоящих из различных атомов. А описывать всё текущее состояние знаний человечества о строении электронов, атомов и др. на форуме я пока не готов, есть соответствующая литература

madschumacher в сообщении #1352856 писал(а):

А принципиальные основы того, почему одни хим.связи "крепче" других, вполне себе неплохо объясняется в школьном курсе химии.

И размер атома есть в этих объяснениях:

Химия за 9 класс Г.E.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман 2016г. На стр.44 писал(а):

Чем меньше атомный радиус галогена тем выше его окислительная активность.

Конечно далеко не только размер атомов влияет на энергию химической связи молекулы.

madschumacher в сообщении #1352856 писал(а):

И при чём ту его отношение к заряду электрона -- совершенно непонятно.

Электрон это ключевой элемент в химических связях. и все его свойства важны для химической связи, в том числе и заряд.

[madschumacher]

rascas в сообщении #1352934 писал(а):

И размер атома есть в этих объяснениях:

Конечно есть. И это не очень хорошо, имхо.

rascas в сообщении #1352934 писал(а):

Электрон это ключевой элемент в химических связях. и все его свойства важны для химической связи, в том числе и заряд.

Да, заряд важен. Только вот какой смысл в сравнении двух величин, делённых на одно и то же число, я не очень понимаю?!
Тем более, что размерность "длина-делённая-на-заряд" выглядит странно. Обратная ещё хотя бы на вид кулоновского притяжения смахивала, а это то к чему?

[Munin]

rascas в сообщении #1352934 писал(а):

И размер атома есть в этих объяснениях

Это, мягко говоря, из серии "чем больше пользователей у Microsoft Windows, тем больше пиратов в Сомали".

rascas в сообщении #1352934 писал(а):

Электрон это ключевой элемент в химических связях. и все его свойства важны для химической связи, в том числе и заряд.

Был бы он переменным, а так константа. Для химической связи важны энергии молекулярных орбиталей и их заполнение.