Chemische Reaktionen laufen oft schrittweise ab, wobei zwei oder mehr unterschiedliche Reaktionen in einer Sequenz ablaufen. Eine ausgewogene Gleichung gibt die reagierende Spezies und die Produktspezies an, aber sie verrät keine Details darüber, wie die Reaktion auf molekularer Ebene abläuft. Der Reaktionsmechanismus (oder Reaktionspfad) gibt Aufschluss über den genauen, schrittweisen Prozess, durch den eine Reaktion abläuft.

Zum Beispiel scheint die Zersetzung von Ozon einem Mechanismus zu folgen, der in zwei Schritten verläuft:

Jeder der Schritte in einem Reaktionsmechanismus wird als Elementarreaktion bezeichnet. Diese Elementarreaktionen laufen nacheinander ab, wie in den Schrittgleichungen dargestellt, und sie summieren sich, um die ausgeglichene chemische Gleichung zu erhalten, die die Gesamtreaktion beschreibt:

Beachten Sie, dass das im ersten Schritt erzeugte Sauerstoffatom im zweiten Schritt verbraucht wird und nicht als Produkt in der Gesamtreaktion erscheint. Solche Spezies, die in einem Schritt hergestellt und in einem nachfolgenden verzehrt werden, werden als Reaktionszwischenprodukte bezeichnet.

Während die Gesamtreaktionsgleichung darauf hinweist, dass zwei Ozonmoleküle reagieren, um drei Sauerstoffmoleküle zu ergeben, beinhaltet der eigentliche Reaktionsmechanismus nicht die direkte Kollision und Reaktion von zwei Ozonmolekülen. Stattdessen zersetzt sich ein O₃ zu O₂ und einem Sauerstoffatom, und ein zweites O₃ Molekül reagiert anschließend mit dem Sauerstoffatom zu zwei weiteren O₂ -Molekülen.

Im Gegensatz zu ausgeglichenen Gleichungen, die eine Gesamtreaktion darstellen, sind die Gleichungen für Elementarreaktionen explizite Darstellungen der chemischen Änderung. Eine elementare Reaktionsgleichung stellt den/die tatsächlichen(n) Reaktant(en) dar, der bzw. die die Bindung bricht/herstellen, und das/die gebildete(n) Produkt(e). Somit kann das Geschwindigkeitsgesetz für eine Elementarreaktion direkt aus ihrer ausgeglichenen chemischen Gleichung abgeleitet werden. Dies ist jedoch nicht der Fall bei typischen chemischen Reaktionen, für die die Geschwindigkeitsgesetze nur durch Experimente zuverlässig bestimmt werden können.

Unimolekulare Elementarreaktionen

Die Molekularität einer Elementarreaktion ist die Anzahl der Reaktantenspezies (Atome, Moleküle oder Ionen). Zum Beispiel beinhaltet eine unimolekulare Reaktion die Reaktion eines einzelnen Reaktanten, um ein oder mehrere Moleküle des Produkts herzustellen:

Das Geschwindigkeitsgesetz für eine unimolekulare Reaktion ist erster Ordnung; Rate = k [A].

Eine unimolekulare Reaktion kann eine von mehreren Elementarreaktionen in einem komplexen Reaktionsmechanismus sein. Zum Beispiel veranschaulicht die Reaktion (O₃ (g) → O₂ (g) + O) eine unimolekulare Elementarreaktion, die als Teil eines zweistufigen Reaktionsmechanismus abläuft. Einige unimolekulare Reaktionen können jedoch der einzige Schritt eines einstufigen Reaktionsmechanismus sein. (Mit anderen Worten, eine “gesamte” Reaktion kann in einigen Fällen auch eine elementare Reaktion sein.) Zum Beispiel wird die Gasphasenzersetzung von Cyclobutan, C₄H₈, zu Ethylen, C₂H₄, durch die chemische Gleichung dargestellt:

Diese Gleichung stellt die Gesamtreaktion dar und beschreibt einen unimolekularen Elementarprozess. Das aus dieser Gleichung vorhergesagte Geschwindigkeitsgesetz, vorausgesetzt, es handelt sich um eine elementare Reaktion, erweist sich als dasselbe wie das experimentell abgeleitete Geschwindigkeitsgesetz für die Gesamtreaktion und zeigt das Verhalten erster Ordnung:

Diese Übereinstimmung zwischen den beobachteten und den vorhergesagten Geschwindigkeitsgesetzen deutet darauf hin, dass der vorgeschlagene unimolekuläre, einstufige Prozess ein vernünftiger Mechanismus für die Butadienreaktion ist.

Bimolekulare Elementarreaktionen

An einer bimolekularen Reaktion sind zwei Reaktantenspezies beteiligt. Zum Beispiel:

Im ersten Typ, bei dem die beiden Reaktantenmoleküle unterschiedlich sind, ist das Geschwindigkeitsgesetz erste Ordnung in A und erste Ordnung in B (insgesamt zweite Ordnung)

Beim zweiten Typ, bei dem zwei identische Moleküle kollidieren und reagieren, ist das Geschwindigkeitsgesetz zweiter Ordnung in A:

Einige chemische Reaktionen laufen durch Mechanismen ab, die aus einer einzigen bimolekularen Elementarreaktion bestehen. Ein Beispiel ist die Reaktion von Stickstoffdioxid mit Kohlenmonoxid:

Bimolekulare Elementarreaktionen können auch als Schritte in einem mehrstufigen Reaktionsmechanismus beteiligt sein. Die Reaktion von atomarem Sauerstoff mit Ozon ist der zweite Schritt eines zweistufigen Ozonabbaumechanismus:

Termolekulare Elementarreaktionen

Eine elementare termolekulare Reaktion beinhaltet die gleichzeitige Kollision von drei Atomen, Molekülen oder Ionen. Termolekulare Elementarreaktionen sind selten, da die Wahrscheinlichkeit, dass drei Teilchen gleichzeitig kollidieren, sehr selten ist. Es gibt jedoch einige etablierte termolekulare Elementarreaktionen. Die Reaktion von Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff scheint termolekulare Schritte zu umfassen:

Ebenso scheint die Reaktion von Stickstoffmonoxid mit Chlor termolekulare Schritte zu umfassen:

Oft ist einer der elementaren Schritte in einem mehrstufigen Reaktionsmechanismus deutlich langsamer als die anderen. Da eine Reaktion nicht schneller als der langsamste Schritt ablaufen kann, begrenzt dieser Schritt die Geschwindigkeit, mit der die Gesamtreaktion abläuft. Der langsamste Elementarschritt wird daher als geschwindigkeitsbegrenzender Schritt (oder geschwindigkeitsbestimmender Schritt) der Reaktion bezeichnet.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Chemistry 2e, 12.6: Reaction Mechanisms.