Mechanizmy reakcji

Reakcja chemiczna jest często reprezentowana przez ogólnie zrównoważone równanie chemiczne wskazujące reagenty i produkty.

Jednak rzeczywista reakcja jest często bardziej złożona i przebiega w wielu etapach. Na przykład ta reakcja tlenku azotu z wodorem, w wyniku której powstaje gazowy azot i woda, zachodzi w trzech odrębnych, następujących po sobie etapach. Te kroki nazywane są mechanizmem reakcji.

Każdy etap w mechanizmie reakcji nazywany jest reakcją elementarną i reprezentuje interakcję, taką jak zerwanie lub utworzenie wiązania, między reagującymi gatunkami.

Określone cząsteczki, takie jak dwutlenek diazotu i podtlenek azotu, powstają podczas jednego etapu podstawowego i są zużywane podczas innego. Takie gatunki nazywane są półproduktami reakcji.

Półprodukty reakcji są niskoenergetycznymi produktami reakcji elementarnej. Często są krótkotrwałe, co tłumaczy ich brak w mieszaninie produktów. Związki pośrednie reakcji to nie to samo, co aktywowane kompleksy. Aktywowane kompleksy to wysokoenergetyczne stany przejściowe istniejące tylko podczas przekształcania reagentów w produkty.

Połączenie podstawowych kroków daje równanie dla całej reakcji chemicznej. W tym przypadku produkty pośrednie reakcji są eliminowane i dlatego nie pojawiają się w ogólnym równaniu chemicznym.

Różne reakcje elementarne mogą przebiegać z różną prędkością. Najwolniejszy krok elementarny określa ogólną szybkość reakcji. W tym przypadku reakcja dwutlenku diazotu z gazowym wodorem jest etapem ograniczającym szybkość.

Reakcje elementarne można powszechnie scharakteryzować jako trzy typy, w zależności od liczby reagujących cząsteczek lub molekularności.

W reakcji jednocząsteczkowej pojedyncza cząsteczka reagenta przekształca się w jeden lub więcej produktów. W reakcji dwucząsteczkowej reagują dwie odrębne cząsteczki. Reakcja trójcząsteczkowa, choć bardzo rzadka, obejmuje trzy pojedyncze cząsteczki reagujące w celu uzyskania produktów pośrednich lub produktów.

W przeciwieństwie do prawa szybkości dla całej reakcji chemicznej, które określa się eksperymentalnie, prawa szybkości dla reakcji elementarnych można przewidzieć na podstawie współczynników stechiometrycznych ich reagentów. Krótko mówiąc, molekularność reakcji elementarnej odpowiada ogólnej kolejności reakcji kroku elementarnego.

W związku z tym reakcje jednocząsteczkowe są często reakcjami pierwszego rzędu, reakcje dwucząsteczkowe są reakcjami drugiego rzędu, a reakcje termolekularne są trzeciego rzędu.

Zrozumienie mechanizmów i kinetyki reakcji pomaga chemikom w identyfikacji i optymalizacji reakcji chemicznych.