反応の熱力学的有利性は、ギブズ自由エネルギー (ΔG) の変化によって決まります。 ΔG には、エンタルピー (ΔH) とエントロピー (ΔS) の 2 つの成分があります。 アルカンのハロゲン化では、反応物質と生成物分子の数が等しいため、エントロピー成分は無視できます。 この場合、ΔG はエンタルピー成分のみによって支配されます。 ΔH を決定する最も重要な要素は結合の強さです。 ΔH は、切断された結合と形成された結合の間のエネルギーを比較することによって決定できます。
反応の熱力学に基づくと、アルカンのラジカルハロゲン化は、フッ素化、臭素化、ヨウ素化とは反応性の順序が異なります。 ラジカルヨウ素化の ΔH は正 (+55 kJ/mol) であり、この反応では ΔG 値も正であることが示唆されます。 したがって、ヨウ素化は熱力学的に不利であり、反応は起こりません。 一方、メタンのラジカルフッ素化の全体的な ΔH は大きく負 (-431 kJ/mol) であるため、反応は熱力学的には有利ですが、発熱が大きく、実用的ではありません。 塩素化と臭素化の ΔH 値はそれぞれ -104 kJ/mol と -33 kJ/mol であり、これらの反応は熱力学的に有利であり、実際に実行可能です。 塩素化と臭素化の反応速度を比較すると、臭素化の方が塩素化よりも遅いことがわかります。 この反応の律速段階は、最初の伝播段階または水素引き抜き段階です。 塩素化反応の最初の伝播ステップは発熱であり、活性化エネルギーは小さいですが、臭素化の場合、このステップは吸熱であり、活性化エネルギーが大きいため、臭素化が塩素化よりも遅い理由が説明されています。
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