Wat is het verband tussen stabiliteit van een molecule en haar reactiviteit?

Antwoord

Beste Ben,

Er zijn inderdaad heel wat uitspraken die schijnbaar elkaar tegenspreken, maar ook wel correct zijn. Anderzijds worden soms fouten gemaakt. Nu voor een goede interpretatie moeten we vertrekken van de juiste definitie en referentiepunten. Ik ga hier ervan uitgaan dat je vraag zijn oorsprong vindt in een chemische context, dat maakt het voor mij ook wat makkelijker aangezien ik een chemist ben.

Nu als we het hebben over reactiviteit dan gaat dat over de neiging van een systeem (= groep moleculen of atomen) om te veranderen, om in samenstelling nieuwe structuren of verbindingen te vormen. Nu hoge of lage reactiviteit uit zich door de snelheid waarmee moleculen veranderen of omgezet worden van de oorspronkelijke structuur naar de nieuw structuur. Hoge omzettingssnelheden geven aan dat het systeem zeer reactief is en een systeem dat weinig rectiviteit vertoond zal een lage omzettingssnelheid hebben. Nu dat is ook een beetje aanstuurbaar bijvoorbeeld door temperatuur. Als de temperatuur stiijgt zal ook de reactiviteit toenemen omdat de gemiddelde energieinhoud van moleculen stijgt als de temperatuur stijgt. 

Waar komt de reactiviteit dan fundamenteel vandaan?

Twee aspecten zijn aanwezig enerzijds de stabiliteit van een molecule (als voorbeeld) ten opzichte van andere toestanden en structuren die bereikbaar zijn voor dit molecule. Hier geldt dat een reactie eigenlijk maar kan aflopen in een bepaalde richting als het aan stabiliteit wint. Dit is eigenlijk het principe dat de natuur streeft naar  die toestand die een zo hoog mogelijke stabiliteit heeft of maw een zo laag mogelijke energie-inhoud. Dit kan je je ook visualiseren met een energielandschap van dalen en bergen waar bv een bal onder invloed van de zwaartekracht spontaan het laagste punt opzoekt. Nu de mogelijkheid om van de éne toestand naar de andere te gaan hangt ook af van de activeringsenergie. Dit is de energie die nodig is om een molecule voldoende energetisch op te laden om de structuurverandering die moet ingezet worden om een nieuwe stuctuur te vormen aan te vatten.

Weer het beeld van een energielandschap waar je bergen en dalen hebt en passen van de éne valei naar de andere. Nu de activeringsenergie is dan de energie die je moet investeren om de pas van de éne vallei naar de andere vallei te overwinnen. Nu ook, hoe hoger de activeringsenergie (de pas) hoe minder reactief een systeem of molecule is. Dus het kan zijn dat een molecule dat op basis van zijn structuur niet erg stabiel lijkt uiteindelijk toch stabiel (=niet reargeren) is omdat het bij wijze van spreken in een vallei opgesloten zit met alleen maar passen van hoge energie of geen echte passen (situatie = je moet echt de berg over om naar een andere vallei te geraken). Zo krijg je een situatie waarbij een molecule dat niet echt stabiel is, toch een zeer lage reactiviteit vertoont omdat het niet over de energie beschikt dat het over de "bergen" kan! Nu vaker is de situatie dat een zeer instabiel molecule (dus hoge energieinhoud) rond zich veel passen vindt van lage "hoogte", dus met lage activeringsenergie en dat dit bijgevolg een molecule is met een hoge reactiviteit, maar het kan in principe ook anders (zie situatieschets hoger).

Een laatste punt is dan stabiliteit van moleculen op zich. Nu hier is het referentiepunt een systeem waar alle samenstellende atomen van een molecule volledig van elkaar zijn gescheiden en niet interageren. Dit is een toestand van hoge energie omdat atomen graag bindingen met elkaar aangaan omdat dit stabieler is. Bindingen kunnen verschillen van elkaar door de grootte van de bindingsenergie die samenhangt met het type binding of de aard van de atomen die betrokken zijn. Dus naarmate meer bindingen kunnen gevormd worden daalt de energieinhoud totdat een maximaal aantal bindingen gevomd zijn en het systeem of het molecule het punt van laagste energie heeft bereikt. Dat is eigenlijk de stabiliteit en is gekoppeld met de som van alle bindingsenergieën die de samenstellende atomen kunnen aangaan (eigenlijk de bodem van een vallei). Nu het kan zijn dat zo een systeem meerdere verzamelingen kan vertonen van bindingen met dan andere configuraties of samenstellingen en dus eindigen ze in een ander dal met relatief tov elkaar een hogere of een lagere stabiliteit naargelang de samenstelling van de bindingen en de daaraan gekoppelde bindingsenergiëen. Dan tenslotte zal het ervan afhangen wat de activeringsenergieën zijn om van de hogere vallei naar een lagere vallei te kunnen gaan.

Ik weet dat dit een lang verhaal is maar als je een beetje puzzelt dan kom je er wel uit. Het beeld van valleiën en bergen is in deze een heel educatief model.

Tenslotte de opmerking dat het referentiepunt dat chemisten in de praktijk van hun wetenschap hanteren eerder een vergelijking is met de bindingstoestand van atomen in hun elementvorm (alleen maar dezelfde atomen zijn aanwezig, bv voor zuurstof is dat het zuurstofmolecule en niet het zuurstofatoom) en niet de toestand van individuele niet-gebonden atomen, maar dat doet niet af aan de essentie van het beeld, het is enkel het verschuiven van de meetlat :-)

vriendelijke groeten