Mehrstufige Reaktionen

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 nicht dasselbe wie Übergangszustände, die nur bei der Umwandlung von Reaktanten in Produkte existieren.

Die Reaktionsmechanismen werden auf der Grundlage ihrer ausgewogenen chemischen Gleichungen und experimentell ermittelten Geschwindigkeitsgesetze jedes Elementarschritts hypothetisiert.

Jeder Schritt hat eine bestimmte Reaktionsgeschwindigkeit, eine bestimmte Geschwindigkeitskonstante und Aktivierungsenergie. Der langsamste Schritt wird als geschwindigkeitsbestimmender Schritt bezeichnet und beeinflusst die Nettoreaktionsgeschwindigkeit. Es kann verwendet werden, um das Geschwindigkeitsgesetz für die Gesamtreaktion zu verifizieren und einen vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus zu validieren.

Denken Sie an die Zersetzung von Distickstoffmonoxid zu Stickstoff und Sauerstoff. Das experimentell ermittelte Geschwindigkeitsgesetz entspricht nicht der Geschwindigkeitsausprägung einer einstufigen Reaktion, die durch das beobachtete Vorhandensein von Sauerstoffatomen – einem Reaktionszwischenprodukt – bestätigt wird.

Daher wird ein Reaktionsmechanismus vorgeschlagen, bei dem sich alle Schritte kumulieren, um die Gesamtreaktion zu ergeben.

Erstens geben die Kurskonstanten an, dass der erste Schritt der ratenbegrenzende Schritt ist. Sie ist am langsamsten und beeinflusst somit die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Ein aus diesem Schritt vorgeschlagenes Tarifgesetz kann gleich dem Gesamttarifgesetz gesetzt werden.

Dieses vorgeschlagene Geschwindigkeitsgesetz, das direkt aus der molekularen Konzentration des Elementarreaktanten abgeleitet wird, stimmt mit dem experimentellen Geschwindigkeitsgesetz überein und verifiziert den vorhergesagten Reaktionsmechanismus.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemistry 2e, 12.6: Reaction Mechanisms.