Reactiemechanismen

Een chemische reactie wordt vaak weergegeven door een algeheel uitgebalanceerde chemische vergelijking die de reactanten en producten aangeeft. De eigenlijke reactie is echter vaak complexer en verloopt in meerdere stappen. Deze reactie van stikstofmonoxide met waterstof onder vorming van stikstofgas en water vindt bijvoorbeeld plaats in drie verschillende opeenvolgende stappen.

Deze stappen worden het reactiemechanisme genoemd. Elke stap in het reactiemechanisme wordt een elementaire reactie genoemd en vertegenwoordigt de interactie, zoals het verbreken of vormen van een binding, tussen de reagerende soorten. Specifieke moleculen, zoals distikstofdioxide en lachgas, worden gevormd tijdens de ene elementaire stap en verbruikt tijdens een andere.

Dergelijke soorten worden reactietussenproducten genoemd. Reactie-tussenproducten zijn producten met lage energiewaardes van een elementaire reactie. Ze zijn vaak van korte duur, wat hun afwezigheid in het productmengsel verklaart.

Reactie-tussenproducten zijn niet hetzelfde als geactiveerde complexen. Geactiveerde complexen zijn energetische overgangstoestanden die alleen bestaan tijdens de omzetting van reactanten in producten. Door de elementaire stappen te combineren, ontstaat de vergelijking voor de algehele chemische reactie.

Hier worden de reactietussenproducten geëlimineerd en verschijnen ze daarom niet in de algemene chemische vergelijking. De verschillende elementaire reacties kunnen met verschillende snelheden verlopen. De langzaamste elementaire stap bepaalt de algehele reactiesnelheid.

Hier is de reactie van distikstofdioxide met waterstofgas de snelheidsbeperkende stap. Elementaire reacties kunnen gewoonlijk worden gekarakteriseerd als drie typen, afhankelijk van het aantal reagerende moleculen of de moleculariteit. In een unimoleculaire reactie verandert een enkel reactantmolecuul in een of meerdere producten.

Bij een bimoleculaire reactie reageren twee verschillende moleculen. Een termoleculaire reactie, hoewel zeer zeldzaam, omvat drie individuele moleculen die reageren om tussenproducten of producten op te leveren. In tegenstelling tot de snelheidsvergelijking voor een algehele chemische reactie, die experimenteel wordt bepaald, kunnen snelheidsvergelijkingen voor elementaire reacties worden voorspeld uit de stoichiometrische coëfficiënten van hun reactanten.

Kortom, de moleculairiteit van een elementaire reactie komt overeen met de algehele volgorde van de reactie van de elementaire stap. Daarom zijn unimoleculaire reacties vaak reacties van de eerste orde, zijn bimoleculaire reacties van de tweede orde en zijn termoleculaire reacties van de derde orde. Een goed begrip van reactiemechanismen en kinetiek helpt chemici bij het identificeren en optimaliseren van chemische reacties.