Reaktionsmechanismen

Eine chemische Reaktion wird oft durch eine insgesamt ausgeglichene chemische Gleichung dargestellt, die die Reaktanten und Produkte angibt.

Die eigentliche Reaktion ist jedoch oft komplexer und läuft in mehreren Schritten ab. So läuft diese Reaktion von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff unter Bildung von Stickstoffgas und Wasser in drei verschiedenen, aufeinander aufbauenden Schritten ab. Diese Schritte werden als Reaktionsmechanismus bezeichnet.

Jeder Schritt im Reaktionsmechanismus wird als Elementarreaktion bezeichnet und stellt die Wechselwirkung, wie z. B. Bindungsbruch oder -bildung, zwischen den reagierenden Spezies dar.

Bestimmte Moleküle, wie Distickstoffdioxid und Distickstoffmonoxid, werden in einem Elementarschritt gebildet und in einem anderen verbraucht. Solche Spezies werden als Reaktionszwischenprodukte bezeichnet.

Reaktionszwischenprodukte sind niederenergetische Produkte einer Elementarreaktion. Sie sind oft kurzlebig, was ihr Fehlen in der Produktmischung erklärt. Reaktionszwischenprodukte sind nicht dasselbe wie aktivierte Komplexe. Aktivierte Komplexe sind hochenergetische Übergangszustände, die nur bei der Umwandlung von Reaktanten in Produkte existieren.

Die Kombination der Elementarschritte ergibt die Gleichung für die gesamte chemische Reaktion. Hier werden die Reaktionszwischenprodukte eliminiert und tauchen daher nicht in der chemischen Gesamtgleichung auf.

Die verschiedenen Elementarreaktionen können unterschiedlich schnell ablaufen. Der langsamste Elementarschritt bestimmt die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Dabei ist die Reaktion von Distickstoffdioxid mit Wasserstoffgas der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt.

Elementarreaktionen können allgemein in drei Typen unterteilt werden, abhängig von der Anzahl der reagierenden Moleküle oder der Molekularität.

Bei einer unimolekularen Reaktion wandelt sich ein einzelnes Reaktantenmolekül in ein oder mehrere Produkte um. In einer bimolekularen Reaktion reagieren zwei unterschiedliche Moleküle. Bei einer termolekularen Reaktion, wenn auch sehr selten, reagieren drei einzelne Moleküle zu Zwischenprodukten oder Produkten.

Im Gegensatz zum Geschwindigkeitsgesetz für eine gesamte chemische Reaktion, das experimentell bestimmt wird, können Geschwindigkeitsgesetze für Elementarreaktionen aus stöchiometrischen Koeffizienten ihrer Reaktanten vorhergesagt werden. Kurz gesagt, die Molekularität einer Elementarreaktion entspricht der Gesamtreaktionsordnung des Elementarschritts.

Daher sind unimolekulare Reaktionen oft Reaktionen erster Ordnung, bimolekulare Reaktionen zweiter Ordnung und termolekulare Reaktionen dritter Ordnung.

Das Verständnis von Reaktionsmechanismen und Kinetik hilft Chemikern dabei, chemische Reaktionen zu identifizieren und zu optimieren.