Back to chapter

13.9:

آليات التفاعل

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

يُعبّر عن التفاعل الكيميائي،غالبًا،بمعادلة كيميائية متوازنة تُبيّن المواد المتفاعلة والنواتج. غير أن التفاعل الحقيقي،غالبًا ما يكون أكثر تعقيدًا ويمرّبخطوات عديدة. على سبيل المثال،هذا التفاعل بين أكسيد النيتروجين وبين الهيدروجين لتكوين غاز النيتروجين والماء يمرّبثلاث خطوات واضحة ومتعاقبة.هذه الخطوات تُسمى آلية التفاعل. كل خطوة في آلية التفاعل،تُسمى تفاعلًا أوليًا وتمثل التفاعل،مثل تحطيم الروابط أو تشكيلها،فيما بين الأصناف المتفاعلة. جزيئات معينة،كثاني أكسيد ثنائي النيتروجين وأكسيد النيتروز،تتشكل أثناء إحدى الخطوات الأولية وتُستهلك أثناء خطوة أولية أخرى.مثل هذه الأصناف تُسمى مركبات التفاعل الوسطية. المركبات الوسطية نواتج ذات طاقة متدنية تنتج عن تفاعل أولي. وغالبًا ما تكون حياتها قصيرة مما يفسر غيابها في الخليط الناتج.مركبات التفاعل الوسطية تختلف عن المعقدات المنَشّطة. المعقدات المنشّطة حالات انتقال ذات طاقة عالية،تتواجد فقط أثناء تحوّل المواد المتفاعلة إلى نواتج. دمج الخطوات الأولية يعطينا المعادلة للتفاعل الكيميائي الكلي.هنا جرى حذف المركبات الوسطية وبالتالي لا تظهر في المعادلة الكيميائية النهائية. قد تسير التفاعلات الأولية بسرعات متفاوتة. الخطوة الأولية الأبطأ هي التي تحدد معدل التفاعل الكلي.هنا تفاعل ثاني أكسيد ثنائي النيتروجين،مع غاز الهيدروجين،هو الخطوة التي تحد من معدل التفاعل. يمكن تصنيف التفاعلات الأولية عمومًا في ثلاثة أصناف،بناءًعلى عدد الجزيئات المتفاعلة المُسمى جزيئية. في تفاعل أحادي الجزيء،يتحول جزيء مادة متفاعلة واحد إلى ناتج أو أكثر.وفي تفاعل ثنائي الجزيء،يتفاعل جزيئان منفصلان. وفي التفاعلات ثلاثية الجزيء،وهي نادرة جدًا،تتفاعل ثلاثة جزيئات منفصلة لتعطي مركبات متوسطة أو نواتج. خلافًا لقانون معدل التفاعل الكيميائي الكلي،الذي يُحدد تجريبيًا،يمكن التنبؤ بقوانين معدلات التفاعلات الأولية،من خلال مُعاملات القياس المتكافئ للمواد المتفاعلة.باختصار،جزيئية تفاعل أولي ما تطابق الترتيب الكلي لخطوات التفاعلات الأولية. وعليه فإن التفاعلات أحادية الجزيء غالبًا ما تكون الأولى في الترتيب،وتأتي التفاعلات ثنائية الجزيء في الترتيب الثاني،وثلاثية الجزيء في الترتيب الثالث. فهم آليات التفاعلات وبياناتها الحركية يساعد الكيميائيين في تحديد و تحسين التفاعلات الكيميائية.

13.9:

آليات التفاعل

غالباً ما تحدث التفاعلات الكيميائية بطريقة متدرجة، تتضمن تفاعلين مميزين أو أكثر تحدث في تسلسل. تشير المعادلة المتوازنة إلى الأنواع المتفاعلة وأنواع المنتجات، ولكنها لا تكشف عن أي تفاصيل حول كيفية حدوث التفاعل على المستوى الجزيئي. توفر آلية التفاعل (أو مسار التفاعل) تفاصيل تتعلق بالعملية الدقيقة خطوة بخطوة التي يحدث بها التفاعل.

على سبيل المثال، يبدو أن تحلل الأوزون يتبع آلية ذات خطوتين:

Eq1

تسمى كل خطوة من خطوات آلية التفاعل تفاعل أولي. تحدث هذه التفاعلات الأولية بالتسلسل، كما هو موضح في معادلات الخطوة، وهي تُجمع لتنتج المعادلة الكيميائية المتوازنة التي تصف التفاعل الكلي:

Eq2

لاحظ أن ذرة الأكسجين الناتجة في الخطوة الأولى يتم استهلاكها خلال الثانية ولا تظهر كمنتج في التفاعل الكلي. تسمى هذه الأنواع التي يتم إنتاجها في خطوة واحدة واستهلاكها في خطوة لاحقة بمواد وسيطة.

بينما تشير معادلة التفاعل الكلية إلى أن جزيئي أوزون يتفاعلان لإعطاء ثلاثة جزيئات أكسجين، فإن آلية التفاعل الفعلية لا تتضمن التصادم المباشر ورد فعل جزيئي أوزون. بدلاً من ذلك، يتحلل واحد من O3 لينتج O2 وذرة من الأكسجين، وتتفاعل جزيئة ثانية من O3 لاحقًا مع ذرة الأكسجين لينتج عن ذلك جزيئتين إضافيتين من O2 .

على عكس المعادلات المتوازنة التي تمثل تفاعلاً كلياً، فإن معادلات التفاعلات الأولية هي تمثيلات صريحة للتغير الكيميائي. تصور معادلة التفاعل الأولية المتفاعل (المتفاعلات) الفعلية التي تخضع لكسر/صنع الرابطة، والمنتج (المنتجات) المتكونة. وبالتالي، يمكن اشتقاق قانون معدل التفاعل الأولي مباشرة من معادلته الكيميائية المتوازنة. ومع ذلك، ليس هذا هو الحال بالنسبة للتفاعلات الكيميائية النموذجية، حيث يمكن تحديد قوانين المعدل بشكل موثوق فقط من خلال التجارب.

التفاعلات الأولية أحادية الجزيء

إن جزيئية التفاعل الأولي هي عدد الأنواع المتفاعلة (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات). على سبيل المثال، يتضمن التفاعل أحادي الجزيء تفاعل مفاعل واحد لإنتاج جزيء واحد أو أكثر من المنتج:

Eq3

قانون معدل التفاعل أحادي الجزيء هو معدّل من الدرجة الأولى؛ المعدّل = k [A].

قد يكون التفاعل أحادي الجزيء واحداً من عدة تفاعلات أولية في آلية تفاعل معقدة. على سبيل المثال، التفاعل (O3 (g) → O2 (g) + O) يوضح تفاعلاً أولياً أحادي الجزيء يحدث كجزء من آلية تفاعل من خطوتين. ومع ذلك، قد تكون بعض التفاعلات أحادية الجزيء هي الخطوة الوحيدة لآلية التفاعل أحادية الخطوة. (بعبارة أخرى، قد يكون تفاعل “إجمالي” تفاعلاً أولياً أيضاً في بعض الحالات.) على سبيل المثال، تحلل الطور الغازي لـسيكلوبوتان C4H8، إلى الإيثيلين، C2H4، تمثلها المعادلة الكيميائية:

Eq3A

تمثل هذه المعادلة التفاعل الكلي، وتصف عملية أولية أحادية الجزيء. يتضح أن قانون المعدل المتوقع من هذه المعادلة، بافتراض أنه تفاعل أولي، هو نفسه قانون المعدل المشتق تجريبياً للتفاعل الكلي، والذي يوضح سلوك الدرجة الأولى للتفاعل:

Eq4

يشير هذا الاتفاق بين قوانين المعدل المُلاحظ والمتوقع إلى أن العملية المقترحة أحادية الجزيء أحادية الخطوة هي آلية معقولة لتفاعل البوتاديئين.

التفاعلات الأولية ثنائية الجزيئية

يتضمن التفاعل ثنائي الجزيء نوعين متفاعَلين. على سبيل المثال:

Eq5

في النوع الأول، حيث يختلف جزيء المتفاعلان، يكون قانون المعدل من الدرجة الأولى في A ومن الدرجة الأولى في B (الترتيب الثاني بشكل عام)

Eq6

في النوع الثاني، حيث يصطدم جزيءان متطابقان ويتفاعلان ، يكون قانون المعدل هو الترتيب الثاني في A:

Eq7

تحدث بعض التفاعلات الكيميائية بواسطة آليات تتكون من تفاعل أولي ثنائي الجزيء واحد. أحد الأمثلة على ذلك هو تفاعل ثاني أكسيد النيتروجين مع أول أكسيد الكربون:

Eq8

يمكن أيضاً تضمين التفاعلات الأولية ثنائية الجزيء كخطوات في آلية تفاعل متعددة الخطوات. تفاعل الأكسجين الذرّي مع الأوزون هو الخطوة الثانية لعملية تحلّل الأوزون والمكونة من خطوتين:

Eq9

التفاعلات الأولية الجزيئية

يتضمن التفاعل الأولي الجزيئي التصادم المتزامن لثلاث ذرات أو جزيئات أو أيونات. التفاعلات الأولية الجزيئية غير شائعة لأن احتمال اصطدام ثلاث جسيمات في وقت واحد نادر جداً. ومع ذلك، هناك عدد قليل من التفاعلات الأولية الجزيئية النهائية. يبدو أن تفاعل أكسيد النيتريك مع الأكسجين يتضمن خطوات جزيئية نهائية:

Eq10

وبالمثل، يبدو أن تفاعل أكسيد النيتريك مع الكلور يتضمن خطوات جزيئية نهائية:

Eq11

غالباً ما تكون إحدى الخطوات الأولية في آلية التفاعل متعدد الخطوات أبطأ بكثير من الخطوات الأخرى. نظراً لأن التفاعل لا يمكن أن يستمر بشكل أسرع من أبطأ خطواته، فإن هذه الخطوة ستحد من معدل حدوث التفاعل الكلي. ولذلك فإن أبطأ خطوة أولية تسمى خطوة تحديد المعدل (أو خطوة تحديد المعدل) للتفاعل.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, 12.6: Reaction Mechanisms.