ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 13

გაკვეთილი 3: არენიუსის განტოლება და რეაქციის მექანიზმები

რეაქციის მექანიზმები

რეაქციის მექანიზმის, შუალედური პროდუქტისა და სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯის განმარტება. როგორ შევაფასოთ მოცემული რეაქციის მექანიზმი სიჩქარის კანონების გამოყენებით.

საკვანძო საკითხები

რეაქციის მექანიზმი აღწერს ელემენტარული რეაქციების განსაზღვრულ თანმიმდევრობას, რომელიც აუცილებლად უნდა გავიაროთ, რათა კონკრეტული რეაგენტიდან მივიღოთ კონკრეტული პროდუქტი.
რეაქციის შუალედური პროდუქტები ყალიბდებიან ერთ ეტაპში და შემდეგ იხარჯებიან რეაქციის მექანიზმის სხვა ეტაპში.
მექანიზმის ყველაზე ნელ ნაბიჯს სიჩქარის განმსაზღვრელი ან სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯი ეწოდება.
რეაქციის ჯამური სიჩქარე განისაზღვრება იმ ნაბიჯებით, რომლებიც სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯის ჩათვლით მიმდინარეობს.

შესავალი: სიჩქარის კანონი და რეაქციების მექანიზმები

კინეტიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოყენებაა უნარი იმისა, რომ რეაქციის სიჩქარე გამოვიყენოთ რეაქციის მექანიზმში გასარკვევად. რეაქციის მექანიზმი აღწერს იმ ელემენტარული ნაბიჯების მიმდევრობას, რომლებიც მიმდინარეობენ საწყისი ნივთიერებებიდან საბოლოო ნივთიერებების წარმოქმნის შუალედში. მოდით, განვიხილოთ მოცემული რეაქცია აზოტის დიოქსიდსა და ნახშირორჟანგს შორის:

{NO}_{2} (ა ი რ .) + CO (ა ი რ .) \to NO (ა ი რ .) + {CO}_{2} (ა ი რ .)

გათანაბრებულ რეაქციაზე დაყრდნობით, შეგვიძლია, ვივარაუდოთ, რომ ეს რეაქცია შეიძლება წარიმართოს ერთი მოლეკულა აზოტის დიოქსიდის და ერთი მოლეკულა ნახშირორჟანგის შეჯახების შედეგად. სხვა სიტყვებით, ვვარაუდობთ, რომ ეს ელემენტარული რეაქციაა.

ელემენტარული რეაქცია არის რეაქცია, რომელიც მიმდინარეობს ერთ ნაბიჯად, ერთი გარდამავალი ფაზით და შუალედური პროდუქტების გარეშე. ეს ნიშნავს, რომ ყველა ბმის გაწყვეტა და ახალი ბმების წარმოქმნა მიმდინარეობს ერთჯერადად შეჯახების დროს.

ასეთ შემთხვევაში, შეგვიძლია, გამოივყენოთ გათანაბრებული ქიმიური ტოლობის სტექიომეტრული კოეფიციენტები, რათა ვიწინასწარმეტყველოთ, რომ რეაქცია არის პირველი რიგის

{NO}_{2}

-ის შემთხვევაში და პირველი რიგის

CO

-ის შემთხვევაში. ჩვენი ჰიპოთეზის გასატესტად, ჩავატარეთ რამდენიმე კინეტიკური ექსპერიმენტი, რათა მიგვეღო სიჩქარის შემდეგი დამოკიდებულება:

სიჩქარე = k [{NO}_{2}]^{2}

რადგანაც სიჩქარის ექსპერიმენტული დამოკიდებულება არ დაემთხვა ჩვენს ნაწინასწარმეტყველებ დამოკიდებულებას, ვიცით, რომ ჩვენი რეაქცია უნდა მოიცავდეს ერთზე მეტ ნაბიჯს. რეაქციებს, რომლებიც მოიცავენ ერთზე მეტ ელემენტარულ ნაბიჯს, კომპლექსური რეაქციები ეწოდებათ. ჩვენ შეგვიძლია, გამოვიყენოთ სიჩქარის დამოკიდებულება, რათა მივიღოთ დამატებითი ინფორმაცია იმ ინდივიდუალური ნაბიჯების შესახებ, რომლებიც შეიძლება შეგვხვდნენ ამ რეაქციის მექანიზმში.

რეაქციის მექანიზმები და სიჩქარის განტოლება

კომპლექსური რეაქცია დაახლოებით მანქანის კონვეირულ აწყობას ჰგავს, სადაც ყოველი ნაბიჯი მოლეკულური შეჯახებაა. ყოველი შეჯახების შედეგად შეიძლება გაწყდეს და/ან წარმოიქმნას ერთი ან მეტი ქიმიური ბმა.

ქიმიკოსებს შეუძლიათ, მოიფიქრონ რეაქციის ჰიპოთეტური მექანიზმი ექსპერიმენტალურად განსაზღვრული სიჩქარის განტოლებისა და ქიმიური ინტუიციის მიხედვით. სულ მცირე, ელემენტარული რეაქციები, რომლებიც მოფიქრებულ მექანიზმს შეადგენენ, უნდა ჯამდებოდნენ საბოლოო რეაქციად. ამ სტატიაში ვისწავლით, თუ როგორ გავაანალიზოთ რეაქციის მექანიზმი კინეტიკის (და ცოტაოდენი ქიმიური ინტუიციის გამოყენებით).

ქიმიურ ინტუიციას სხვანაირად "ცოდნისმიერი გამოცნობაც" შეგვიძლია ვუწოდოთ. აქ საკვანძო სიტყვაა "ცოდნისმიერი". გამოცნობა ხდება სხვადასხვა რაღაცის მიხედვით: ფიზიკის კანონების, გარშემო სამყაროზე დაკვირვებისა და ჩვენი (ხშირად შეზღუდული) ცოდნის იმისა, თუ როგორ იქცეოდნენ მოლეკულები მსგავს რეაქციებში.

მექანიზმის მაგალითი და რეაქციის შუალედური პროდუქტები

ახლა, რადგანაც ვიცით, რომ აზოტის დიოქსიდს და ნახშირჟანგს შორის მიმდინარე რეაქცია ელემენტარული რეაქცია არაა, შეგვიძლია, მოვიფიქროთ ალტერნატიული მექანიზმები, მაგალითად, შემდეგი ორნაბიჯიანი რეაქცია:

\begin{aligned} 2 {NO}_{2} (ა ი რ) & \overset{ნ ე ლ ა}{\to} NO (ა ი რ) + {NO}_{3} (ა ი რ) 1-ლი ელემენტარული ნაბიჯი \\ {NO}_{3} (ა ი რ) + CO (ა ი რ) & \overset{ს წ რ ა ფ ა დ}{\to} {NO}_{2} (ა ი რ) + {CO}_{2} (ა ი რ) მე-2 ელემენტარული ნაბიჯი \\ {NO}_{2} (ა ი რ) + CO (ა ი რ) & \overset{}{\to} NO (ა ი რ) + {CO}_{2} (ა ი რ) მთლიანი რეაქცია \end{aligned}

დააკვირდით, რომ ელემენტარული ნაბიჯები მთლიან რეაქციად ჯამდება. ეს ყოველთვის ასე უნდა იყოს! რეალურად, რაიმე შემოთავაზებული რეაქციის მექანიზმის გამოსარიცხად ერთ-ერთი ყველაზე მარტივი გზა ისაა, აჩვენოთ, რომ ელემენტარული ნაბიჯები მთლიან რეაქციად არ ჯამდება.

პირველი ელემენტარული ნაბიჯი წარმოქმნის ჩვენს ერთ-ერთ საბოლოო ნივთიერებას,

NO (ა ი რ)

-ს, ასევე ახალ ნივთიერებას,

{NO}_{3} (ა ი რ)

-ს.

{NO}_{3} (ა ი რ)

არის რეაქციის შუალედური პროდუქტი. შუალედური პროდუქტები წარმოიქმნებიან ერთ ნაბიჯში და იხარჯებიან სხვა ნაბიჯში, ასე რომ მათ არ ვითვალისწინებთ მთლიანი რეაქციის გამოსახულებაში ან ჯამური სიჩქარის წესში.

სიჩქარის განმსაზღვრელი ნაბიჯი

გარდა იმისა, რომ დავრწმუნდეთ, ჯამდებიან თუ არა ჩვენ მიერ მოფიქრებულ მექანიზმში ელემენტარული რეაქციები ჯამურ რეაქციად, უნდა განვიხილოთ თითოეული ელემენტარული ნაბიჯის სიჩქარე. რეაქციის ჯამური სიჩქარე განისაზღვრება იმ ნაბიჯებით, რომლებიც ყველაზე ნელი ელემენტარული ნაბიჯის ჩათვლით მიმდინარეობს. რეაქციის მექანიზმში ყველაზე ნელ ნაბიჯს ეწოდება სიჩქარის განმსაზღვრელი ან სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯი.

წინა სექციაში განხილული ჩვენი მექანიზმისთვის სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯია პირველი ელემენტარული ნაბიჯი. აქედან გამომდინარე, ვივარაუდებდით, რომ ჯამური რეაქცია იქნებოდა პირველ ელემენტარულ ნაბიჯში მორეაგირე

{NO}_{2}

-ის სიჩქარის მსგავსი.

ცოდნის შემოწმება: რა მოუვა რეაქციის სიჩქარეს, თუ დავამატებდით კატალიზატორს, რომელიც მეორე ელემენტარული ნაბიჯის სიჩქარეს ათჯერ გაზრდიდა?

პასუხი: სიჩქარე არ შეიცვლებოდა

რადგანაც მეორე ელემენტარული ნაბიჯი სიჩქარის განმსაზღვრელი ნაბიჯის შემდეგ ხდება, მეორე ელემენტარული ნაბიჯის დაჩქარებას რეაქციის ჯამურ სიჩქარეზე გავლენა არ ექნება.

კიდევ ერთი გზა ამის წარმოსადგენად არის სხვადასხვა დიამეტრის მქონე კოლბების მწკრივებში წყლის ჩასხმაზე ფიქრი. ყველაზე პატარა დიამეტრის მქონე ძაბრი აკონტროლებს სიჩქარეს, რომლითაც გაივსება ბოთლი, მიუხედავად იმისა, პირველია იგი მწკრივში თუ ბოლო. პირველ ძაბრში წყლის იმაზე მეტად ჩქარა ჩასხმა, ვიდრე ის გაივლის ყველაზე პატარა ძაბრს, მხოლოდ წყლის გადმოქცევას გამოიწვევს!

წყლის ჩასვლის სიჩქარე საბოლოო კოლბაში განისაზღვრება სიჩქარის განმსაზღვრელი ნაბიჯით, რომელიც ყველაზე ნელი ნაბიჯია. ამ პროცესის ყველაზე ნელი ნაბიჯია ყველაზე ვიწრო დიამეტრის მქონე ძაბრიდან წყლის გამოსვლა. ფოტოს წყარო: UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3,0 US

როგორ შევაფასოთ რეაქციის მექანიზმი?

როცა ვაფასებთ რეაქციის შემოთავაზებულ მექანიზმს, ორი რამ უნდა შევამოწმოთ:

ჯამდებიან თუ არა ელემენტარული რეაქციის ტოლობები ჯამურ რეაქციად.
არის თუ არა ჯამური რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულება თავსებადი თითოეული ელემენტარული ნაბიჯის სიჩქარესთან.

როცა ერთი ან მეტი მექანიზმი გვაქვს, რომლებიც ზემოთ მოცემულ კრიტერიუმებს აკმაყოფილებენ, უნდა ვნახოთ, აკმაყოფილებს თუ არა რომელიმე ექსპერიმენტულ მონაცემებს. მაგალითად, თუ ჩვენ მიერ შემოთავაზებულ მექანიზმში არის შუალედური პროდუქტი, უნდა ვცადოთ რეაქციის ნარევში შუალედური პროდუქტის აღმოჩენა. მნიშვნელოვანია, გვახსოვდეს, რომ თუ მოსალოდნელ შუალედურ პროდუქტს ვერ აღმოვაჩენთ, ეს ავტომატურად არ გამორიცხავს მექანიზმს, რადგანაც, შესაძლოა, შუალედური პროდუქტი იმდენად მცირე კონცენტრაციით იყოს, რომ ვერ შევამჩნიოთ.

შეჯამება

რეაქციის მექანიზმი აღწერს ელემენტარული რეაქციების განსაზღვრულ თანმიმდევრობას, რომელიც აუცილებლად უნდა გავიაროთ, რათა კონკრეტული რეაგენტიდან მივიღოთ კონკრეტული პროდუქტი.
რეაქციის შუალედური პროდუქტები ყალიბდებიან ერთ ეტაპში და შემდეგ იხარჯებიან რეაქციის მექანიზმის სხვა ეტაპში.
მექანიზმის ყველაზე ნელ ნაბიჯს სიჩქარის განმსაზღვრელი ან სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯი ეწოდება.
რეაქციის ჯამური სიჩქარე განისაზღვრება იმ ნაბიჯებით, რომლებიც სიჩქარის მალიმიტირებელი ნაბიჯის ჩათვლით მიმდინარეობს.

ატრიბუცია

ეს სტატია ადაპტირებულია შემდეგი სტატიებიდან:

„სიჩქარის განმსაზღვრელი ნაბიჯი“. წყარო: UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3,0
„რეაქციის მექანიზმები“. წყარო: UC Davis ChemWiki, CC BY-NC-SA 3,0
„ჯამური რეაქციის სიჩქარეები“. წყარო: Boundless Chemistry, CC BY-SA 4,0

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC-BY-NC-SA 4,0.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია

Kotz, J. C., P. M. Treichel, J. R. Townsend, and D. A. Treichel. "Reaction Mechanisms." In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition, pp. 539-544. 9th ed. Stamford, CT: Cengage Learning, 2015.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.

ქიმია