Back to chapter

13.9:

Reactiemechanismen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Reaction Mechanisms

Languages

Share

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.

13.9:

Reactiemechanismen

Chemical reactions often occur in a stepwise fashion, involving two or more distinct reactions taking place in a sequence. A balanced equation indicates the reacting species and the product species, but it reveals no details about how the reaction occurs at the molecular level. The reaction mechanism (or reaction path) provides details regarding the precise, step-by-step process by which a reaction occurs.

For instance, the decomposition of ozone appears to follow a mechanism with two steps:

Eq1

Each of the steps in a reaction mechanism is called an elementary reaction. These elementary reactions occur in sequence, as represented in the step equations, and they sum to yield the balanced chemical equation describing the overall reaction:

Eq2

Notice that the oxygen atom produced in the first step is consumed during the second and does not appear as a product in the overall reaction. Such species that are produced in one step and consumed in a subsequent one are called reaction intermediates.

While the overall reaction equation indicates that two ozone molecules react to give three oxygen molecules, the actual reaction mechanism does not involve the direct collision and reaction of two ozone molecules. Instead, one O3 decomposes to yield O2 and an oxygen atom, and a second O3 molecule subsequently reacts with the oxygen atom to yield two additional O2 molecules.

Unlike balanced equations representing an overall reaction, the equations for elementary reactions are explicit representations of the chemical change. An elementary reaction-equation depicts the actual reactant(s) undergoing bond-breaking/making, and the product(s) formed. Thus, the rate law for an elementary reaction may be derived directly from its balanced chemical equation. However, this is not the case for typical chemical reactions, for which rate laws may be reliably determined only via experimentation.

Unimolecular Elementary Reactions

The molecularity of an elementary reaction is the number of reactant species (atoms, molecules, or ions). For example, a unimolecular reaction involves the reaction of a single reactant to produce one or more molecules of product:

Eq3

The rate law for a unimolecular reaction is first order; rate = k [A].

A unimolecular reaction may be one of several elementary reactions in a complex reaction mechanism. For instance, the reaction (O3 (g) → O2 (g) + O) illustrates a unimolecular elementary reaction occurring as a part of a two-step reaction mechanism. However, some unimolecular reactions may be the only step of a single-step reaction mechanism. (In other words, an “overall” reaction may also be an elementary reaction in some cases.) For example, the gas-phase decomposition of cyclobutane, C4H8, to ethylene, C2H4, is represented by the chemical equation:

Eq3A

This equation represents the overall reaction, describing a unimolecular elementary process. The rate law predicted from this equation, assuming it is an elementary reaction, turns out to be the same as the rate law derived experimentally for the overall reaction, showing first-order behavior:

Eq4

This agreement between observed and predicted rate laws indicates that the proposed unimolecular, single-step process is a reasonable mechanism for the butadiene reaction.

Bimolecular Elementary Reactions

A bimolecular reaction involves two reactant species. For example:

Eq5

In the first type, where the two reactant molecules are different, the rate law is first-order in A and first order in B (second-order overall)

Eq6

In the second type, in which two identical molecules collide and react, the rate law is second order in A:

Eq7

Some chemical reactions occur by mechanisms that consist of a single bimolecular elementary reaction. One example is the reaction of nitrogen dioxide with carbon monoxide:

Eq8

Bimolecular elementary reactions may also be involved as steps in a multistep reaction mechanism. The reaction of atomic oxygen with ozone is the second step of a two-step ozone decomposition mechanism:

Eq9

Termolecular Elementary Reactions

An elementary termolecular reaction involves the simultaneous collision of three atoms, molecules, or ions. Termolecular elementary reactions are uncommon because the probability of three particles colliding simultaneously is very rare. There are, however, a few established termolecular elementary reactions. The reaction of nitric oxide with oxygen appears to involve termolecular steps:

Eq10

Likewise, the reaction of nitric oxide with chlorine appears to involve termolecular steps:

Eq11

Often one of the elementary steps in a multistep reaction mechanism is significantly slower than the others. Because a reaction cannot proceed faster than its slowest step, this step will limit the rate at which the overall reaction occurs. The slowest elementary step is therefore called the rate-limiting step (or rate-determining step) of the reaction.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, 12.6: Reaction Mechanisms.