Mechanizm reakcji i równanie kinetyczne

Kluczowe informacje

Mechanizm reakcji jest sekwencją podstawowych etapów, w wyniku których zachodzi reakcja chemiczna.
Reakcja zachodząca w dwóch lub więcej etapach nazywana jest wieloetapową lub złożoną reakcją.
Produkt pośredni jest substancją chemiczną, która powstaje na jednym etapie podstawowym, a następnie jest zużyta w kolejnym etapie.
Najwolniejszy etap w mechanizmie reakcji znany jest jako etap determinujący szybkość.
Etap determinujący szybkość decyduje o szybkości całej reakcji i równaniu kinetycznym.

Wprowadzenie: reakcje wieloetapowe

Jednym z najważniejszych zastosowań kinetyki jest badanie mechanizmów reakcji, lub sekwencji etapów, w wyniku których zachodzą reakcje chemiczne. Rozważmy na przykład reakcję ditlenku azotu z tlenkiem węgla:

NO_{2} (g) + CO (g) \to NO (g) + {CO}_{2} (g)

Patrząc na zbilansowane równanie reakcji, możemy wysnuć hipotezę, że reakcja zachodzi przez pojedyncze zderzenie molekuły dwutlenku azotu z molekułą tlenku węgla. Innymi słowy - możemy założyć, że jest to reakcja jednoetapowa.

Gdyby tak było, wówczas równanie kinetyczne opierałoby się na współczynnikach ze zbilansowanego równania chemicznego w następujący sposób:

szybkość reakcji = k [NO_{2}] [CO]

Jednakże na podstawie eksperymentalnej analizy tej reakcji, w rzeczywistości przyjmuje się, że równanie kinetyczne ma postać:

szybkość reakcji = k [NO_{2}]^{2}

Ponieważ eksperymentalne równanie kinetyczne nie zgadza się z tym przewidzianym przez nas, wiemy natychmiast że nasza reakcja musi mieć więcej niż jeden etap. Reakcje mające więcej niż jeden etap elementarny nazywamy reakcjami złożonymi lub wieloetapowymi. Jak zobaczymy dalej, możemy użyć równania kinetycznego do zdobycia większej ilości informacji na temat pojedynczych etapów wchodzących w skład mechanizmu reakcji wieloetapowej.

Mechanizm reakcji wieloetapowej

Jeśli eksperymentalne równanie kinetyczne jest znane, chemicy mogą rozpocząć opracowywać i badać możliwe mechanizmy reakcji. Mechanizm reakcji musi spełniać następujące dwa warunki:

Równania etapów elementarnych w mechanizmie muszą sumować się do ogólnego równania reakcji.
Mechanizm ten musi być zgodny z równaniem kinetycznym.

Użyjmy tych warunków, aby ustalić proponowany mechanizm reakcji pomiędzy

NO_{2}

CO

. Ogólnie uważa się, że reakcja ta zachodzi w dwóch podstawowych etapach:

\begin{aligned} Etap 1: & NO_{2} (g) + NO_{2} (g) \overset{}{\to} NO (g) + NO_{3} (g) \\ Etap 2: & NO_{3} (g) + CO (g) \overset{}{\to} NO_{2} (g) + CO_{2} (g) \end{aligned}

Najpierw sprawdźmy, czy równania dla tych dwóch etapów sumują się do równania reakcji ogólnej:

\begin{aligned} Etap 1: & NO_{2} (g) + NO_{2} (g) \overset{}{\to} NO (g) + NO_{3} (g) \\ Etap 2: & NO_{3} (g) + CO (g) \overset{}{\to} NO_{2} (g) + CO_{2} (g) \\ \overset{―}{} \\ Po zsumowaniu: & NO_{2} (g) + CO (g) \overset{}{\to} NO (g) + CO_{2} (g) \end{aligned}

Uwaga! Zauważ, że jedna cząsteczka,

NO_{3}

, pojawia się w obu etapach, ale nie pojawia się w ogólnym równaniu. W tym przypadku

NO_{3}

jest produktem pośrednim reakcji, substancją, który tworzy się w jednym kroku i zużywa w kolejnym.

Następnie ustalmy, czy dwuetapowy mechanizm jest zgodny z eksperymentalnym równaniem kinetycznym. Aby to zrobić, musimy wiedzieć, który z tych dwóch etapów jest etapem determinującym szybkość, lub najwolniejszym etapem mechanizmu. Ponieważ reakcja nie może zajść szybciej niż jej najwolniejszy etap, etap determinujący szybkość skutecznie ogranicza ogólną szybkość reakcji. Jest to analogiczne do tego, w jaki sposób korki ograniczają ogólną prędkość, z jaką samochody mogą poruszać się po autostradzie, nawet jeśli inne części autostrady nie są zakorkowane.

W proponowanym przez nas mechanizmie uważa się, że etapem determinującym szybkość jest etap 1:

\begin{aligned} Etap 1: & NO_{2} (g) + NO_{2} (g) \overset{w o l n o}{\to} NO (g) + NO_{3} (g) \\ Etap 2: & NO_{3} (g) + CO (g) \overset{s z y b k o}{\to} NO_{2} (g) + CO_{2} (g) \end{aligned}

Ponieważ etap 1 ogranicza ogólną szybkość reakcji, równanie kinetyczne dla tego kroku będzie takie samo, jak ogólne równanie kinetyczne. W związku z tym, przewidywanym równaniem kinetycznym reakcji jest

szybkość reakcji = k [NO_{2}]^{2}

To równanie kinetyczne jest zgodne z wyznaczonym eksperymentalnie, które widzieliśmy wcześniej, a więc proponowany mechanizm spełnia również drugi warunek (uwaga!). Ponieważ mechanizm reakcji spełnia oba warunki, możemy uznać, że jest to właściwy mechanizm reakcji.

Podsumowanie

Mechanizm reakcji jest sekwencją podstawowych etapów, w wyniku których zachodzi reakcja chemiczna.
Reakcja zachodząca w dwóch lub więcej etapach nazywana jest wieloetapową lub złożoną reakcją.
Produkt pośredni jest substancją chemiczną, która powstaje na jednym etapie podstawowym, a następnie jest zużyta w kolejnym etapie.
Najwolniejszy etap w mechanizmie reakcji znany jest jako etap determinujący szybkość.
Etap determinujący szybkość decyduje o szybkości całej reakcji i równaniu kinetycznym.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.

Chemia

Kurs: Chemia > Rozdział 17

Kluczowe informacje

Wprowadzenie: reakcje wieloetapowe

Mechanizm reakcji wieloetapowej

Ćwiczenie: Analizowanie mechanizmu reakcji

Podsumowanie

Chcesz dołączyć do dyskusji?