2.9: תגובות מרובות שלבים

תגובות כימיות מתרחשות לעתים קרובות באופן שלבי הכוללות שתי תגובות שונות או יותר המתרחשות ברצף. משוואה מאוזנת מציינת את הצורונים המגיבים ואת הצורון התוצר, אך היא לא חושפת פרטים על אופן התגובה ברמה המולקולרית. מנגנון התגובה (או נתיב התגובה) מספק פרטים לגבי התהליך המדויק, שלב אחר שלב, שבו מתרחשת תגובה. כל אחד מהשלבים במנגנון תגובה נקרא תגובה אלמנטרית. התגובות האלמנטריות הללו מתרחשות ברצף, כפי שמוצגות במשוואות השלבים, והן מסתכמות כדי להניב את המשוואה הכימית המאוזנת המתארת ​​את התגובה הכוללת. במנגנון תגובה רב-שלבי, אחד השלבים האלמנטרים מתקדם לאט יותר מהאחרים - לפעמים לאט יותר באופן משמעותי. השלב האיטי ביותר הזה נקרא השלב המגביל קצב (או שלב קובע הקצב). תגובה לא יכולה להתקדם מהר יותר מהשלב האיטי ביותר שלה, ומכאן, השלב הקובע את הקצב מגביל את קצב התגובה הכולל.

בניגוד למשוואות מאוזנות המייצגות תגובה כוללת, המשוואות לתגובות אלמנטריות הן ייצוגים מפורשים של השינוי הכימי. משוואת תגובה אלמנטרית מתארת ​​את המגיב/ים בפועל שעוברים שבירה/יצירת קשר ואת התוצר/ים שנוצרו. חוקי קצב עשויים להיגזר ישירות מהמשוואות הכימיות המאוזנות לתגובות אלמנטריות. עם זאת, זה לא המקרה עבור רוב התגובות הכימיות, שבהן משוואות מאוזנות מייצגות לעתים קרובות את השינוי הכולל במערכת הכימית הנובעת ממנגנוני תגובה רב-שלבים. לפיכך, יש לקבוע את חוק השיעור מנתוני ניסוי, ולאחר מכן להסיק את מנגנון התגובה מחוק הקצב.

לדוגמה, חשבו על התגובה של NO_2 ו-CO:

חוק הקצב הניסויי עבור תגובה זו בטמפרטורות מעל 225 מעלות צלזיוס הוא:

על פי חוק הקצב, התגובה היא מסדר ראשון ביחס ל-NO_2 ומסדר ראשון ביחס ל-CO. עם זאת, בטמפרטורות מתחת ל-225 מעלות צלזיוס, התגובה מתוארת על ידי חוק קצב שונה שהוא מסדר שני ביחס ל-NO_2:

חוק קצב זה אינו תואם את המנגנון החד-שלבי, אך הוא תואם את המנגנון הדו-שלבי הבא:

באופן כללי, כאשר השלב הקובע את הקצב (האיטי יותר) הוא השלב הראשון במנגנון התגובה, חוק הקצב עבור התגובה הכוללת זהה לחוק הקצב עבור שלב זה. עם זאת, כאשר קדם לשלב קביעת הקצב שלב אלמנטרי הכולל תגובה הפיכה בקצב, חוק הקצב עבור התגובה הכוללת עשוי להיות קשה יותר להפקה, לעתים קרובות בשל נוכחותם של תוצרי ביניים של תגובה.

במקרים כאלה, ניתן להשתמש בתפיסה לפיה תגובה הפיכה נמצאת בשיווי משקל כאשר קצבי התהליכים קדימה ואחורה שווים.