Name: elementary steps in reaction mechanisms
Uploaded: 2020-09-24T15:06:50.000Z
Duration: 3 min 6 s
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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Chemistry

Matter and its Interactions

PS.Chm.5.1

Reaction Mechanisms

Une réaction chimique est souvent représentée par une équation chimique globale équilibrée indiquant les réactifs et les produits. Cependant, la réaction réelle est souvent plus complexe et se déroule en plusieurs étapes. Par exemple, cette réaction de l'oxyde nitrique avec de l'hydrogène formant de l'azote gazeux et de l'eau se déroule en trois étapes distinctes et successives.Ces étapes sont appelées le mécanisme de réaction. Chaque étape du mécanisme de réaction s'appelle une réaction élémentaire et représente l'interaction, comme la rupture ou la formation d'un lien, entre les espèces réactives. Molécules spécifiques, comme le dioxyde de diazote et le nitreux oxyde, sont formés au cours d'une étape élémentaire et consommés pendant un autre.Ces espèces sont appelées intermédiaires de réaction. Les intermédiaires de réaction sont des produits à faible consommation d'énergie d'une réaction élémentaire. Ils sont souvent de courte durée, ce qui explique leur absence dans le mélange de produits.Les intermédiaires de réaction ne sont pas les mêmes sous forme de complexes activés. Les complexes activés sont des états de transition à haute énergie existant uniquement lors de la transformation des réactifs aux produits. La combinaison des étapes élémentaires donne l'équation pour la réaction chimique globale.Ici, les intermédiaires de réaction sont éliminés et donc n'apparaissent dans l'équation chimique globale. Les différentes réactions élémentaires peut progresser à des vitesses variables. L'étape élémentaire la plus lente détermine le taux de réaction globale.Ici, la réaction du dioxyde de diazote avec l'hydrogène gazeux est l'étape limitant le débit. Les réactions élémentaires peuvent être généralement caractérisées en trois types, en fonction du nombre de molécules réactives ou de la molécularité. Dans une réaction unimoléculaire, une seule molécule de réactif se transforme en un ou plusieurs produits.Dans une réaction bimoléculaire, deux molécules distinctes réagissent. Une réaction termoléculaire, bien que très rare, implique trois molécules individuelles réagissant pour donner des intermédiaires ou des produits. Contrairement à la loi de vitesse pour une réaction chimique globale, qui est déterminée expérimentalement, la lois de vitesse pour les réactions élémentaires peuvent être prévus à partir des coefficients stœchiométriques de leurs réactifs.En bref, la molécularité d'une réaction élémentaire correspond à l'ordre de réaction globale de l'étape élémentaire. Par conséquent, les réactions unimoléculaires sont souvent réactions du premier ordre, les réactions bimoléculaires sont des réactions de second ordre et termoléculaires sont du troisième ordre. Une compréhension des mécanismes de réaction et de la cinétique aide les chimistes à identifier et à optimiser les réactions chimiques.

mécanismes de réaction

Les réactions chimiques se produisent souvent par étapes, impliquant deux ou plusieurs réactions distinctes se produisant de façon séquentielle. Une équation équilibrée indique les espèces qui réagissent et les espèces produites, mais elle ne révèle aucun détail sur la façon dont la réaction se produit au niveau moléculaire. Le mécanisme de la réaction (ou le chemin de la réaction) fournit des détails sur le processus par étape précis par lequel une réaction se produit. 
 Par exemple, la décomposition de l'ozone semble suivre un mécanisme en deux étapes : 
 <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Chacune des étapes d'un mécanisme réactionnel est appelée une réaction élémentaire. Ces réactions élémentaires se produisent dans l'ordre, comme représenté dans les équations des étapes, et elles s'additionnent pour donner l'équation chimique équilibrée décrivant la réaction globale : 
 <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Notez que l'atome d'oxygène produit dans la première étape est consommé pendant la seconde et n'apparaît pas comme un produit dans la réaction globale. De telles espèces qui sont produites à une étape et consommées à la suivante sont appelées des intermédiaires de réaction. 
 Bien que l'équation de réaction globale indique que deux molécules d'ozone réagissent pour donner trois molécules d'oxygène, le mécanisme réactionnel réel n'implique pas la collision directe et la réaction de deux molécules d'ozone. Au lieu de cela, un O3 se décompose pour produire O2 et un atome d'oxygène, et une deuxième molécule d'O3 réagit ensuite avec l'atome d'oxygène pour produire deux molécules d'O2 supplémentaires. 
 Contrairement aux équations équilibrées représentant une réaction globale, les équations pour les réactions élémentaires sont des représentations explicites de la transformation chimique. Une équation de réaction élémentaire représente le ou les réactifs réels en cours de rupture/formation de liaison et le ou les produits formés. Ainsi, la loi de vitesse d'une réaction élémentaire peut être déduite directement à partir de son équation chimique équilibrée. Toutefois, ce n'est pas le cas pour les réactions chimiques typiques, pour lesquelles les lois de vitesse peuvent être déterminées de manière fiable uniquement par expérimentation. 
 Réactions élémentaires unimoléculaires 
 La molécularité d'une réaction élémentaire est le nombre d'espèces qui réagissent (atomes, molécules ou ions). Par exemple, une réaction unimoléculaire implique la réaction d'un seul réactif pour produire une ou plusieurs molécules de produit : 
 <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 La loi de vitesse pour une réaction unimoléculaire est du premier ordre ; vitesse = k [A]. 
 Une réaction unimoléculaire peut être l'une des diverses réactions élémentaires d'un mécanisme de réaction complexe. Par exemple, la réaction (O3 (g) → O2 (g) + O) illustre une réaction élémentaire unimoléculaire qui fait partie d'un mécanisme de réaction en deux étapes. Cependant, certaines réactions unimoléculaires peuvent être la seule étape d'un mécanisme de réaction en une seule étape (en d'autres termes, une réaction “ globale ” peut aussi être une réaction élémentaire dans certains cas). Par exemple, la décomposition en phase gazeuse du cyclobutane, C4H8, en éthylène, C2H4, est représentée par l'équation chimique : 
 <img alt="Eq3A" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_3A.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Cette équation représente la réaction globale, décrivant un processus élémentaire unimoléculaire. La loi de vitesse prédite à partir de cette équation, en supposant qu'il s'agit d'une réaction élémentaire, s'avère être la même que la loi de vitesse déduite expérimentalement pour la réaction globale, montrant un comportement du premier ordre: 
 <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Cet accord entre les lois de vitesse observée et prédite indique que le processus unimoléculaire proposé en une seule étape est un mécanisme raisonnable pour la réaction du butadiène. 
 Réactions élémentaires bimoléculaires 
 Une réaction bimoléculaire implique deux espèces qui réagissent. Par exemple : 
 <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Dans le premier type, où les deux molécules qui réagissent sont différentes, la loi de vitesse est du premier ordre en A et du premier ordre en B (du deuxième ordre global) 
 <img alt="Eq6" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_6.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Dans le second type, dans lequel deux molécules identiques entrent en collision et réagissent, la loi de vitesse est du deuxième ordre en A : 
 <img alt="Eq7" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_7.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Certaines réactions chimiques se produisent par des mécanismes qui consistent en une seule réaction élémentaire bimoléculaire. Un exemple est la réaction du dioxyde d'azote avec le monoxyde de carbone : 
 <img alt="Eq8" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_8.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Les réactions élémentaires bimoléculaires peuvent également être impliquées comme des étapes dans un mécanisme de réaction en plusieurs étapes. La réaction de l'oxygène atomique avec l'ozone est la seconde étape d'un mécanisme de décomposition de l'ozone en deux étapes : 
 <img alt="Eq9" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_9.png" style="text-align: center; height: 50px;" />
 Réactions élémentaires termoléculaires 
 Une réaction élémentaire termoléculaire implique la collision simultanée de trois atomes, molécules ou ions. Les réactions élémentaires termoléculaires sont rares car la probabilité de collision simultanée de trois particules est très rare. Il existe toutefois quelques réactions élémentaires termoléculaires établies. La réaction de l'oxyde nitrique avec l'oxygène semble impliquer des étapes termoléculaires : 
 <img alt="Eq10" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_10.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 De même, la réaction de l'oxyde nitrique avec le chlore semble impliquer des étapes termoléculaires : 
 <img alt="Eq11" src="/files/ftp_upload/11381/11381_Equation_11.png" style="text-align: center; height: 70px;" />
 Souvent, l'une des étapes élémentaires d'un mécanisme de réaction en plusieurs étapes est beaucoup plus lente que les autres. Comme une réaction ne peut pas se poursuivre plus rapidement que son étape la plus lente, cette étape limitera la vitesse à laquelle la réaction globale se produit. L'étape élémentaire la plus lente est donc appelée étape limitante de la vitesse (ou étape déterminante de la vitesse) de la réaction. 
 Ce texte est adapté de<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/12-6-reaction-mechanisms"> Openstax, Chimie 2e, 12.6 : Mécanismes de réaction. </a>

Mécanismes de réaction

Les réactions chimiques se produisent souvent de manière progressive, impliquant deux ou plusieurs réactions distinctes se déroulant dans une séquence. Une équation équilibrée indique ...

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KEY TERMS AND CONCEPTS

TERMES ET CONCEPTS CLÉS

elementary steps in reaction mechanisms

Chemical reactions can happen in steps, and a balanced equation does not show the full path at the molecular level. A reaction mechanism, also called a reaction path, gives the step-by-step process that explains how reactants become products. The decomposition of ozone is one example of a reaction that can be described by a sequence of steps.

Each step in a mechanism is an elementary reaction. These elementary reactions happen in order, and when they are added together, they give the balanced equation for the overall reaction. In the ozone example, an oxygen atom is made in the first step and used up in the second step, so it does not appear in the final equation. A species made in one step and used up in a later step is called a reaction intermediate.

The overall equation may show two ozone molecules forming three oxygen molecules, but the mechanism shows that the two ozone molecules do not react directly with each other. Instead, one O3 molecule breaks down to form O2 and an oxygen atom. Then a second O3 molecule reacts with that oxygen atom to make two more O2 molecules. This is why elementary reaction equations give a more direct picture of bond breaking and bond making than the overall equation does.

For an elementary reaction, the rate law can often be written directly from the balanced equation for that step. For most chemical reactions, the rate law must be found by experiment. That is why elementary reactions are useful when chemists build a mechanism that matches the observed behavior of a reaction.

Elementary reactions are described by molecularity, which is the number of reactant species in the step. A unimolecular reaction has one reactant species and forms one or more products. Its rate law is first order, written as rate = k[A]. A unimolecular step may be part of a larger mechanism, such as O3(g) → O2(g) + O in ozone decomposition. Some unimolecular reactions are also the whole reaction, not just one step. The gas-phase decomposition of cyclobutane, C4H8, to ethylene, C2H4, is one example, and its first-order experimental rate law agrees with the rate law predicted for an elementary single-step process.

A bimolecular reaction involves two reactant species. If the two reactants are different, the rate law is first order in A and first order in B, for a second-order overall rate. If the two reacting molecules are the same, the rate law is second order in A. Some reactions occur by a single bimolecular elementary reaction, such as the reaction of nitrogen dioxide with carbon monoxide. Bimolecular steps can also appear in multistep mechanisms, including the reaction of atomic oxygen with ozone in ozone decomposition.

A termolecular reaction involves the simultaneous collision of three atoms, molecules, or ions. These reactions are uncommon because three particles colliding at the same time is very unlikely. Still, a few termolecular elementary reactions are known. The reaction of nitric oxide with oxygen and the reaction of nitric oxide with chlorine both appear to involve termolecular steps.

In many multistep mechanisms, one elementary step is much slower than the others. A reaction cannot proceed faster than its slowest step, so that step controls the overall rate. This slowest step is called the rate-limiting step, or rate-determining step.

Elementary Steps in Reaction Mechanisms

reaction rate

Measuring Reaction Rates

Measuring reaction rates shows how fast reactants are used up or products are formed over time. The rate of reaction is the change in the amount of a reactant or product per unit time. Because of that, scientists measure how a property changes as the reaction proceeds and connect that change to reactant or product amounts. For reactions that make or use a gas, the rate can be followed by changes in volume or pressure. A rate expression is the mathematical way to write how concentration changes...

measuring reaction rates

Tracking Reaction Kinetics with Light and Pressure

Reaction kinetics can be tracked with polarimetry, spectrometry, and pressure measurements. These methods let scientists follow a reaction without disturbing the sample. They also help determine how reactant or product concentrations change over time. Polarimetry is used for optically active substances. These substances rotate the plane of polarized light, which is called optical rotation. The effect comes from molecular structure. Normal monochromatic light is unpolarized, but after it passes...

concentration and rate law

Reaction Order from Concentration

Reaction order from concentration shows how reactant amounts affect reaction rate. Rate laws, also called differential rate laws or rate equations, are mathematical expressions that connect reaction rate with the concentrations of reactants. For a generic reaction a A + b B → products, the rate law can be written using the reactant concentrations [A] and [B] and a rate constant k. In a rate law, k is the rate constant for one specific reaction at one specific temperature. The exponents m and n...

determining order of reaction

Finding Rate Law from Initial Rates

Rate laws connect the speed of a chemical reaction to the concentration of its reactants. The rate constant, k, and the reaction orders are not taken from the chemical equation. They are found experimentally by watching how the rate changes when the reactant concentrations change. One common way to do this is the method of initial rates. In this method, several trials are run with different starting concentrations. The measured rates are then compared to determine the reaction orders and,...

the integrated rate law: the dependence of concentration on time

the-integrated-rate-law-the-dependence-of-concentration-on-time

Reading Reaction Progress with Integrated Laws

Integrated rate laws connect reaction concentration to time. They help show how much reactant or product is present after a certain period. They can also help estimate how long a reaction must run to reach a given extent. A common use is finding how long radioactive material must be stored before its radioactivity drops to a safe level. These equations come from the differential rate law after it is integrated with respect to time. For a first-order reaction, where rate = k[A], the integrated...

half-life of a reaction

Reaction Half-Life in Kinetics

Reaction half-life is the time needed for half of a reactant to be consumed. After each half-life, half of the remaining reactant is used up. A hydrogen peroxide decomposition example shows this pattern clearly. The concentration drops from 1.000 M to 0.500 M in the first 6.00 hours, then to 0.250 M in the next 6.00 hours, and then to 0.125 M in the third period. Each later 6.00-hour interval removes half of what is left. For first-order reactions, the half-life does not depend on the reactant...

temperature dependence on reaction rate

Collision Theory and Reaction Speed

Collision theory explains why reaction speed depends on how particles collide. Atoms, molecules, or ions must come close together before they can react. The theory says the reaction rate depends on the collision rate, the orientation of the colliding species, and whether the collision has enough energy for bonds to change. A gas-phase reaction between carbon monoxide and oxygen shows why orientation matters. The molecules can collide in more than one way. If the oxygen side of carbon monoxide...

arrhenius plots

Determining Activation Energy from Temperature

The Arrhenius equation links activation energy and the rate constant, k, for chemical reactions. It is written as k = Ae−Ea/RT. In this equation, R is the ideal gas constant with a value of 8.314 J/mol·K, T is the temperature on the kelvin scale, Ea is the activation energy in J/mole, e is the constant 2.7183, and A is the frequency factor. The frequency factor depends on collision frequency and the orientation of reacting molecules. Experimental kinetic data can be used to find the activation...

reaction mechanisms

Chemical reactions can happen in steps, and a balanced equation does not show the full path at the molecular level. A reaction mechanism, also called a reaction path, gives the step-by-step process that explains how reactants become products. The decomposition of ozone is one example of a reaction that can be described by a sequence of steps. Each step in a mechanism is an elementary reaction. These elementary reactions happen in order, and when they are added together, they give the balanced...

rate-determining steps

Reaction Bottlenecks in Chemical Kinetics

Reaction bottlenecks help explain rate-determining steps in multistep reaction mechanisms. In a mechanism with several elementary steps, one step is often much slower than the others. That slowest step is called the rate-limiting step, or rate-determining step. A reaction cannot move faster than its slowest step, so this step controls the overall reaction rate. The idea is like traffic on a four-lane freeway with one lane closed. Cars can only move as fast as the bottleneck allows. In the same...

catalysis

Catalyst Action in Reaction Rates

Catalysts change the rate of a chemical reaction by giving it a faster path. A catalyst increases reaction rate without being consumed during the process. Its effect is often explained with reaction mechanisms and energy diagrams. For an endothermic reaction, the reactants and products start and end at the same energies in both cases. The uncatalyzed path is a one-step mechanism with one transition state. The catalyzed path follows a different mechanism with two transition states and a lower...

enzymes

Enzyme Action and Inhibition

Enzymes are biological catalysts that speed up many reactions in living organisms. They help control cellular metabolism by lowering the activation energy needed for biochemical reactions. When activation energy drops, reaction rates can increase. Enzyme problems can also lead to serious disease. A genetic abnormality that causes G6PD, or glucose-6-phosphate dehydrogenase, deficiency can disrupt the pathway that supplies NADPH to cells. In red blood cells, this can reduce glutathione and...

key terms and concepts

Explore how chemical reactions happen in steps, including elementary reactions, reaction intermediates, molecularity, rate laws, and the rate-limiting step.

Elementary Steps in Reaction Mechanisms | JoVE K12

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JoVE Core Chimie anime les concepts de chimie générale en utilisant des leçons vidéo concises et faciles à comprendre. De plus, nos vidéos de scientifiques à l'action présentent des expériences de recherche, classiques ou insolites, effectuées dans des laboratoires modernes du monde entier.

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In science, a law is defined as a concise, verbal or mathematical, statement that summarizes a vast number of experimental observations. ...

The Scientific Method

Chemistry is an empirical science. Scientists often pose questions to understand the chemistry in everyday life and seek answers to these questions. To ...

Classifying Matter by State

Chemistry is the study of matter and the changes it undergoes. Matter is anything that has mass and occupies space. Matter is all around us; the air, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Use models to explain how the scientific understanding of atomic structure has evolved.

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Radioactivity and Nuclear Equations

Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The nucleus of an atom is composed of protons and, except for ...

Types of Radioactivity

The most common types of radioactivity are &#945; decay, &#946; decay, &#947; decay, neutron emission, and electron capture.
Alpha (&#945;) decay is the ...

Nuclear Stability

Protons and neutrons, collectively called nucleons, are packed together tightly in a nucleus. With a radius of about 10&#8722;15 meters, a nucleus is ...

Nuclear Binding Energy

The difference between the calculated and experimentally measured masses is known as the mass defect of the atom. In the case of helium-4, the mass defect ...

Radioactive Decay and Radiometric Dating

Radioactivity is a spontaneous disintegration of an unstable nuclide and is a random process, as all the nuclei in the sample do not decay simultaneously. ...

Nuclear Fission

Many heavier elements with smaller binding energies per nucleon can decompose into more stable elements that have intermediate mass numbers and larger ...

Nuclear Power

Controlled nuclear fission reactions are used to generate electricity. Any nuclear reactor that produces power via the fission of uranium or plutonium by ...

Nuclear Fusion

The process of converting very light nuclei into heavier nuclei is also accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy, a process ...

Nuclear Transmutation

Nuclear transmutation is the conversion of one nuclide into another. It can occur by the radioactive decay of a nucleus, or the reaction of a nucleus with ...

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Atomic Orbitals

An atomic orbital represents the three-dimensional regions in an atom where an electron has the highest probability to reside. The radial distribution ...

The Pauli Exclusion Principle

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The Energies of Atomic Orbitals

In an atom, the negatively charged electrons are attracted to the positively charged nucleus. In a multielectron atom, electron-electron repulsions are ...

The Aufbau Principle and Hund's Rule

To determine the electron configuration for any particular atom, we can build the structures in the order of atomic numbers. Beginning with hydrogen, and ...

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Electron Configuration of Multielectron Atoms

The alkali metal sodium (atomic number 11) has one more electron than the neon atom. This electron must go into the lowest-energy subshell available, the ...

Use models to explain how electrons are distributed in atoms.

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Periodic Classification of the Elements

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The Periodic Table

As early chemists discovered more elements, they realized that various elements could be grouped by their similar chemical behaviors. One such grouping ...

Atomic Mass

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Electronegativity values of ...

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Bond Polarity, Dipole Moment, and Percent Ionic Character

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Lewis Structures of Molecular Compounds and Polyatomic Ions

To draw Lewis structures for complicated molecules and molecular ions, it is helpful to follow a step-by-step procedure as outlined:


	Determine the ...

Resonance

The Lewis structure of a nitrite anion (NO2&minus;) may actually be drawn in two different ways, distinguished by the locations of the N-O and N=O ...

Formal Charges

In some cases, there are seemingly more than one valid Lewis structures for molecules and polyatomic ions. The concept of formal charges can be used to ...

Exceptions to the Octet Rule

Many covalent molecules have central atoms that do not have eight electrons in their Lewis structures. These molecules fall into three categories:


	...

Analyze and interpret data to explain the mechanisms and properties of the two main types of intramolecular (ionic and covalent) bonds.

PS.Chm.3.1

Analyze the structure of atoms and isotopes.

Elementary Steps in Reaction Mechanisms

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