קומפלקס משופעל
בכימיה, קומפלקס משופעל מייצג אוסף של מבני ביניים (Transition States) בתגובה כימית שבהם קשרים כימיים נשברים ונוצרים. הקומפלקס המשופעל הוא סידור של אטומים באזור בו האנרגיה הפוטנציאלית נמצאת בנקודת מעבר קריטית, הידועה כנקודת האוכף, על פני שטח האנרגיה הפוטנציאלית של התגובה. אזור זה מייצג מצב רגעי וחולף בו המערכת נמצאת בין שלב המגיבים לשלב התוצרים, תוך שינוי בקשרים הכימיים הקיימים[1].
אזור זה אינו מייצג מצב מוגדר אחד, אלא טווח של קונפיגורציות בלתי יציבות שהמערכת עוברת דרכן בין המגיבים לתוצרים של תגובה. לקומפלקסים המשופעלים יש מאפיינים חלקיים של המגיבים ושל התוצרים, מה שמשפיע באופן משמעותי על התנהגותם בתגובות כימיות[2].
המונחים "קומפלקס משופעל" ו"מצב מעבר" משמשים לעיתים לסירוגין לתיאור מצבי ביניים בתגובות כימיות, אך הם מייצגים מושגים שונים[3]. מצב המעבר מתייחס לקונפיגורציה בעלת האנרגיה הפוטנציאלית הגבוהה ביותר במהלך התגובה, בעוד שהקומפלקס המשופעל מתייחס לטווח של קונפיגורציות בקרבת מצב המעבר. בקואורדינטת תגובה נתונה, מצב המעבר הוא הקונפיגורציה בנקודת המקסימום של הדיאגרמה, בעוד שהקומפלקס המשופעל יכול להתייחס לכל נקודה בקרבת המקסימום.
אנרגיית שפעול
[עריכת קוד מקור | עריכה]
אנרגיית השפעול היא כמות האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי ליזום תגובה כימית וליצור את הקומפלקס המשופעל[4]. אנרגיה זו משמשת כסף שתגובה מסוימת חייבת להתגבר עליו כדי לעבור לקומפלקס המשופעל. תגובות אנדותרמיות קולטות אנרגיה מהסביבה, בעוד שתגובות אקסותרמיות פולטות אנרגיה. חלק מהתגובות מתרחשות באופן ספונטני, בעוד שאחרות דורשות השקעת אנרגיה חיצונית. ניתן להמחיש את התגובה באמצעות דיאגרמת קואורדינטת התגובה, המציגה את אנרגיית האקטיבציה ואת האנרגיה הפוטנציאלית לאורך התגובה.
תאוריית מצב המעבר
[עריכת קוד מקור | עריכה]תאוריית מצב המעבר (המוכרת גם בשם תאוריית הקומפלקס המשופעל) עוסקת בקינטיקה כימית של תגובות העוברות דרך מצב ביניים מוגדר עם אנרגיית גיבס סטנדרטית של שפעול ΔG°‡[5]. מצב המעבר, המסומן בסמל פגיון כפול (‡), מייצג את הקונפיגורציה המדויקת של האטומים שיש לה סבירות שווה להפוך למגיבים או לתוצרים של התגובה הנתונה[6]. בהתאם לתכונות הקומפלקס המשופעל והמגיבים, ניתן להגדיר את קבוע קצב התגובה:
כאשר:
- הוא קבוע שיווי המשקל
- הוא קבוע בולצמן
- היא הטמפרטורה התרמודינמית
- הוא קבוע פלאנק
תאוריית מצב המעבר מבוססת על מכניקה קלאסית, שכן היא מניחה שלאחר שהתגובה מתקדמת, המולקולות לא יחזרו למצב המעבר[7].
נושא הקומפלקס המשופעל נידון לראשונה במסגרת תאוריית מצב המעבר (המוכרת גם בשם תאוריית הקומפלקס המשופעל), אשר פותחה לראשונה בשנת 1935 על ידי איירינג, אוונס ופולאני[8].
סימטריה והשפעתה על הקומפלקס המשופעל
[עריכת קוד מקור | עריכה]קומפלקס משופעל בעל סימטריה גבוהה עלול להפחית את דיוק הביטויים לקצב התגובה. טעויות עלולות להיגרם בשל הכנסת מספרי סימטריה לפונקציות החלוקה הסיבוביות של המגיבים והקומפלקסים המשופעלים. כדי להפחית טעויות, ניתן להשמיט מספרי סימטריה באמצעות הכפלת הביטוי לקצב בגורם סטטיסטי:
כאשר:
- הוא הוא מספר הקומפלקסים המשופעלים השקולים שניתן ליצור
- הוא קבוע בולצמן
- היא הטמפרטורה התרמודינמית
- הוא קבוע פלאנק
- פונקציית החלוקה מהן הושמטו מספרי הסימטריה[9]
- הוא קוארודינטת הריאקציה
דרגות חופש וההתנהגות של קומפלקס משופעל
[עריכת קוד מקור | עריכה]הקומפלקס המשופעל הוא אוסף של מולקולות הנוצרות ומתפרקות לאורך קואורדינטה פנימית מסוימת. מולקולות רגילות ניחנות בשלוש דרגות חופש תרגומיות, ותכונותיהן דומות לאלו של קומפלקסים המשופעל. עם זאת, לקומפלקסים משופעלים יש דרגת חופש תרגומית נוספת הקשורה להתקדמותם אל מחסום האנרגיה, חצייתו, ולאחר מכן הדיסוציאציה שלהם[10].
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Activated complex". doi:10.1351/goldbook.A00092.
- ↑ Atkins, P. & de Paula, J. (2006). Physical Chemistry (8th ed.). W.H. Freeman, p. 809. ISBN 0-7167-8759-8.
- ↑ Tuñón, I. & Williams, I. H. (2019). "The transition state and cognate concepts". Advances in Physical Organic Chemistry, 53, 29–68. doi:10.1016/bs.apoc.2019.09.001.
- ↑ Chemical Kinetics and Reaction Dynamics. (2006). Dordrecht: Springer Netherlands. doi:10.1007/978-1-4020-4547-9.
- ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Transition State Theory". doi:10.1351/goldbook.T06470.
- ↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Transition State". doi:10.1351/goldbook.T06468.
- ↑ Pechukas, P. (1981). "Transition State Theory". Annual Review of Physical Chemistry, 32(1), 159–177. doi:10.1146/annurev.pc.32.100181.001111.
- ↑ Eyring, H. (1935). "The Activated Complex in Chemical Reactions". The Journal of Chemical Physics, 3(2), 107–115. doi:10.1063/1.1749604.
- ↑ Murrell, J. N. & Laidler, K. J. (1968). "Symmetries of activated complexes". Transactions of the Faraday Society, 64(0), 371–377. doi:10.1039/TF9686400371.
- ↑ Eyring, H. (1935). "The Activated Complex and the Absolute Rate of Chemical Reactions". Chemical Reviews, 17(1), 65–77. doi:10.1021/cr60056a006.