Reakcje chemiczne często zachodzą w sposób krokowy, obejmujący dwie lub więcej odrębnych reakcji zachodzących w sekwencji. Zrównoważone równanie wskazuje gatunki reagujące i gatunki produktów, ale nie ujawnia żadnych szczegółów na temat tego, jak reakcja zachodzi na poziomie molekularnym. Mechanizm reakcji (lub ścieżka reakcji) dostarcza szczegółowych informacji na temat precyzyjnego procesu, w którym krok po kroku zachodzi reakcja.

Na przykład rozkład ozonu wydaje się przebiegać zgodnie z mechanizmem składającym się z dwóch etapów:

Każdy z etapów mechanizmu reakcji nazywany jest reakcją elementarną. Te podstawowe reakcje zachodzą w sekwencji, jak przedstawiono w równaniach krokowych, i sumują się, aby uzyskać zrównoważone równanie chemiczne opisujące całą reakcję:

Zauważ, że atom tlenu wytworzony w pierwszym etapie jest zużywany w drugim i nie pojawia się jako produkt w całej reakcji. Takie gatunki, które są produkowane w jednym etapie i spożywane w kolejnym, nazywane są półproduktami reakcji.

Podczas gdy ogólne równanie reakcji wskazuje, że dwie cząsteczki ozonu reagują, dając trzy cząsteczki tlenu, rzeczywisty mechanizm reakcji nie obejmuje bezpośredniego zderzenia i reakcji dwóch cząsteczek ozonu. Zamiast tego jedna cząsteczka O₃ rozkłada się, dając O₂ i atom tlenu, a druga cząsteczka O₃ następnie reaguje z atomem tlenu, tworząc dwie dodatkowe cząsteczki O₂.

W przeciwieństwie do równań zrównoważonych reprezentujących ogólną reakcję, równania dla reakcji elementarnych są wyraźnymi reprezentacjami zmiany chemicznej. Elementarne równanie reakcji przedstawia rzeczywisty reagent (reagenty) przechodzący zrywanie/wytwarzanie wiązań oraz utworzony produkt (produkty). Zatem prawo szybkości dla reakcji elementarnej można wyprowadzić bezpośrednio z jej zrównoważonego równania chemicznego. Nie dotyczy to jednak typowych reakcji chemicznych, dla których prawa szybkości można wiarygodnie wyznaczyć tylko za pomocą eksperymentów.

Jednocząsteczkowe reakcje elementarne

Molekularność reakcji elementarnej to liczba rodzajów reagentów (atomów, cząsteczek lub jonów). Na przykład reakcja jednocząsteczkowa obejmuje reakcję pojedynczego reagenta w celu wytworzenia jednej lub więcej cząsteczek produktu:

Prawem szybkości dla reakcji jednocząsteczkowej jest pierwszy rząd; szybkość = k [A].

Reakcja jednocząsteczkowa może być jedną z kilku podstawowych reakcji w złożonym mechanizmie reakcji. Na przykład reakcja (O₃ (g) → O₂ (g) + O) ilustruje jednocząsteczkową reakcję elementarną zachodzącą w ramach dwuetapowego mechanizmu reakcji. Jednak niektóre reakcje jednocząsteczkowe mogą być jedynym krokiem jednoetapowego mechanizmu reakcji. (Innymi słowy, reakcja “ogólna” może być również reakcją elementarną w niektórych przypadkach.) Na przykład rozkład cyklobutanu w fazie gazowej C₄H₈ do etylenu_{C 2}H₄ jest reprezentowany przez równanie chemiczne:

Równanie to reprezentuje całą reakcję, opisując jednocząsteczkowy proces elementarny. Prawo szybkości przewidywane na podstawie tego równania, zakładając, że jest to reakcja elementarna, okazuje się być takie samo jak prawo szybkości wyprowadzone eksperymentalnie dla całej reakcji, pokazując zachowanie pierwszego rzędu:

Ta zgodność między obserwowanymi i przewidywanymi prawami szybkości wskazuje, że proponowany jednocząsteczkowy, jednoetapowy proces jest rozsądnym mechanizmem reakcji butadienu.

Dwucząsteczkowe reakcje elementarne

Reakcja dwucząsteczkowa obejmuje dwa gatunki reagentów. Na przykład:

W pierwszym typie, w którym dwie cząsteczki reagentów są różne, prawo szybkości jest pierwszego rzędu w A i pierwszego rzędu w B (ogólnie drugiego rzędu)

W drugim typie, w którym dwie identyczne cząsteczki zderzają się i reagują, prawo szybkości jest drugiego rzędu w A:

Niektóre reakcje chemiczne zachodzą w mechanizmach, które składają się z pojedynczej dwucząsteczkowej reakcji elementarnej. Jednym z przykładów jest reakcja dwutlenku azotu z tlenkiem węgla:

Dwucząsteczkowe reakcje elementarne mogą być również zaangażowane jako etapy wieloetapowego mechanizmu reakcji. Reakcja tlenu atomowego z ozonem jest drugim etapem dwuetapowego mechanizmu rozkładu ozonu:

Elementarne reakcje termolekularne

Elementarna reakcja termolekularna polega na jednoczesnym zderzeniu trzech atomów, cząsteczek lub jonów. Elementarne reakcje termolekularne są rzadkie, ponieważ prawdopodobieństwo jednoczesnego zderzenia trzech cząstek jest bardzo rzadkie. Istnieje jednak kilka ustalonych termolekularnych reakcji elementarnych. Wydaje się, że reakcja tlenku azotu z tlenem obejmuje etapy termolekularne:

Podobnie, reakcja tlenku azotu z chlorem wydaje się obejmować etapy termolekularne:

Często jeden z podstawowych etapów wieloetapowego mechanizmu reakcji jest znacznie wolniejszy niż pozostałe. Ponieważ reakcja nie może przebiegać szybciej niż jej najwolniejszy krok, ten krok ograniczy szybkość, z jaką zachodzi cała reakcja. Najwolniejszy etap elementarny nazywany jest zatem krokiem ograniczającym szybkość (lub krokiem określającym szybkość) reakcji.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemistry 2e, 12.6: Reaction Mechanisms.