Что *на самом деле* происходит с атомами в химических реакциях?

Ваша интуиция на высоте. Если у нас есть два атома, приближающихся друг к другу с большой кинетической энергией, то у них будет слишком много энергии, чтобы сформировать стабильную молекулу. Их электроны будут взаимодействовать по мере их приближения, но два атома просто пронесутся мимо друг друга и унесутся вдаль.

Во многих случаях реакция больше похожа на:

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

или их варианты, и в этом случае продукты реакции могут уносить избыточную энергию в виде кинетической энергии, что позволяет избежать проблемы. Однако, когда у вас есть реакция, как:

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

The $\mathrm{AB}$молекула не имеет возможности рассеивать энергию.

Но на практике такие реакции случаются. Например, если вы начнете с газа атомов водорода при комнатной температуре, вы очень быстро получите$\mathrm{H_2}$молекулы. Обычно реакция возможна, потому что продукты реакции могут терять свою избыточную энергию при столкновении с другими молекулами. Процесс будет примерно таким:

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

где$*$на$\mathrm{H_2^*}$указывает на то, что он находится в сильно возбужденном состоянии, которое обычно снова быстро распадается на два атома:

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

Однако если$\mathrm{H_2^*}$может столкнуться с атомом водорода, дополнительная энергия может быть передана в кинетическую энергию:

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

где сейчас$\mathrm{H_2}$молекула и$\mathrm{H}$атом в правой части имеет большую кинетическую энергию. Эту большую кинетическую энергию мы называем теплом, поэтому конечным результатом является то, что энергия, участвующая в химической реакции, нагревает газ.

Чтобы завершить ответ Джона, химические реакции происходят в веществе при определенной температуре. Вся материя примерно следует кривой излучения черного тела , которая имеет распределение энергии для составляющих его атомов/молекул при заданной температуре.

Температура связана в статистической термодинамике со средней кинетической и колебательной/вращательной энергиями в образце. Можно видеть , что при комнатной температуре (~300 К) излучение, испускаемое взаимодействующими атомами/молекулами, составляет малые доли электрон-вольт. Кинетическая энергия атомов и молекул достаточно мала, чтобы их можно было захватить доступными каналами. Хвосты распределения с высокой энергией столкновений имеют очень маленькую вероятность, падающую экспоненциально.