Was passiert *wirklich* mit Atomen bei chemischen Reaktionen?

Ihre Intuition ist genau richtig. Wenn sich zwei Atome mit großer kinetischer Energie annähern, haben sie zu viel Energie, um ein stabiles Molekül zu bilden. Ihre Elektronen interagieren, wenn sie sich nähern, aber die beiden Atome sausen einfach aneinander vorbei und verschwinden in die Ferne.

In vielen Fällen ist die Reaktion eher wie folgt:

$$\mathrm{AB + CD \to AC + DB}$$

oder Variationen davon, und in diesem Fall können die Reaktionsprodukte überschüssige Energie als kinetische Energie wegtragen, so dass das Problem vermieden wird. Wenn Sie jedoch eine Reaktion haben wie:

$$\mathrm{A + B \to AB}$$

Das$\mathrm{AB}$Molekül hat keine Möglichkeit, die Energie zu zerstreuen.

Aber in der Praxis kommen solche Reaktionen vor. Wenn Sie zum Beispiel mit einem Gas aus Wasserstoffatomen bei Raumtemperatur beginnen, landen Sie sehr schnell bei$\mathrm{H_2}$Moleküle. Typischerweise ist die Reaktion möglich, weil die Reaktionsprodukte ihre überschüssige Energie durch Kollision mit anderen Molekülen abgeben können. Der Prozess wäre ungefähr so:

$$\mathrm{H + H \to H_2^*}$$

bei dem die$*$auf der$\mathrm{H_2^*}$zeigt an, dass es sich in einem hoch angeregten Zustand befindet, der normalerweise schnell wieder in zwei Atome zerfallen würde:

$$\mathrm{H_2^* \to H + H}$$

Wenn jedoch die$\mathrm{H_2^*}$mit einem Wasserstoffatom kollidieren kann, kann die zusätzliche Energie in kinetische Energie umgewandelt werden:

$$\mathrm{H_2^* + H \to H_2 + H + \text{kinetic energy}}$$

wo jetzt die$\mathrm{H_2}$Molekül und die$\mathrm{H}$Atom auf der rechten Seite haben eine große kinetische Energie. Diese große kinetische Energie nennen wir Wärme. Das Endergebnis ist also, dass die in die chemische Reaktion einbezogene Energie das Gas heiß macht.

Um Johns Antwort zu vervollständigen, passieren chemische Reaktionen in Materie, die eine bestimmte Temperatur hat. Alle Materie folgt ungefähr der Schwarzkörperstrahlungskurve, die eine Energieverteilung für die Atome / Moleküle hat, aus denen sie besteht, abhängig von ihrer Temperatur.

Die Temperatur wird in der statistischen Thermodynamik mit den mittleren kinetischen und Schwingungs-/Rotationsenergien in der Probe verknüpft. Man kann sehen , dass bei Raumtemperatur (~300 K) die von den wechselwirkenden Atomen/Molekülen emittierte Strahlung kleine Bruchteile von Elektronenvolt beträgt. Die kinetische Energie von Atomen und Molekülen ist niedrig genug, um ein Einfangen durch die verfügbaren Kanäle zu ermöglichen. Die Enden der Verteilung mit hochenergetischen Kollisionen haben eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit und fallen exponentiell ab.