Reakcje elementarne Reakcje następcze Reakcje łańcuchowe

Reakcje wieloetapowe

Większość reakcji chemicznych przebiega wieloetapowo, co oznacza, że szybkość procesu chemicznego jest wynikiem przebiegu wielu reakcji elementarnych i zależy od ich wzajemnej sekwencji, czyli uszeregowania poszczególnych reakcji elementarnych w czasie.
W reakcjach wieloetapowych można wyróżnić następcze i równoległe reakcje elementarne.

Definicja 1: Reakcje następcze

Reakcje następcze, to takie, które przebiegają etapami, poprzez różne stany pośrednie, w taki sposób, że tworzący się produkt pośredni jednej reakcji staje się również substratem następnej.

Przykład 1: Reakcje następcze

Jednym z najprostszych schematycznych przykładów to dwie następujące po sobie nieodwracalne reakcje pierwszego rzędu. Substrat A ulega przemianie w produkt pośredni B, a ten następnie przechodzi w produkt końcowy C, gdzie \( k_{1} \) i \( k_{2} \) – stałe szybkości reakcji.

\( A\xrightarrow{k_{1}} B\xrightarrow{k_{2}}C \)

Równanie kinetyczne dla reagenta A ma postać:

\( r=\frac{d[A]}{dt}=- k_1 \cdot {[A]} \)

Równanie kinetyczne dla reagenta B ma postać:

\( r=\frac{d[B]}{dt}= k_1 \cdot {[A]}\ -k_2 \cdot {[B]} \)

Równanie kinetyczne dla reagenta C ma postać:

\( r=\frac{d[C]}{dt}= k_2 \cdot {[B]} \)

Informacja dodatkowa 1: Reakcja łańcuchowa

Reakcje łańcuchowe, to szczególny rodzaj reakcji następczych. Nośnikami łańcucha, czyli produktami pośrednimi, które są odpowiedzialne za propagację reakcji łańcuchowej mogą być rodniki, jony.

W reakcjach łańcuchowych można wyróżnić kilka etapów takich jak inicjacja reakcji, propagacja (rozwijanie) łańcucha, hamowania, terminacja (zakończenia) łańcucha.
Reakcja łańcuchowa może również przebiegać wybuchowo. Do nagłego przyspieszenia reakcji może dojść na skutek wzrostu temperatury. W przypadku, gdy wydzielającej się energii w przebiegu reakcji egzotermicznej jest znacznie więcej niż jest odprowadzane do otoczenia, dochodzi do zwiększenia szybkości reakcji chemicznej, dalszego wzrostu temperatury i w konsekwencji wybuchu. Pojawienie się w reakcji etapów, podczas których łańcuch ulega rozgałęzieniu (liczba nośników łańcucha wzrasta wykładniczo) może doprowadzić do eksplozji.

Przykład reakcji łańcuchowej, reakcja pomiędzy cząsteczką wodoru i bromu:
Przykład reakcji wieloetapowej, składającej się z łańcucha reakcji elementarnych (synteza bromowodoru, reakcja łańcuchowa):
\( \\ \text{inicjacja: } \ce{Br_2 \rightarrow 2Br^• } \)
\( \\ \text{propagacja: } \ce{Br^• + H_2 \rightarrow HBr + H^• } \)
\( \\ \text {hamowanie: } \ce{H^• + Br_2 \rightarrow HBr + Br^• } \)
\( \\ \text {terminacja: } \ce{2Br^• \rightarrow Br_2} \)

\( \\ \text {reakcja sumaryczna: } \ce{H_2 + Br_2 \rightarrow2HBr } \)

Definicja 2: Reakcje równoległe

Reakcje równoległe charakteryzują się tym, że jeden substrat może reagować w jednym czasie w różny sposób.

Przykład 2: Reakcje równoległe

Jednym z najprostszych schematycznych przykładów to równoległe przemiany substratu A w produkty B i C, zachodzące zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu, gdzie \( k_{1} \) i \( k_{2} \) – stałe szybkości reakcji.

\( A\xrightarrow{k_{1}} B \)

\( A\xrightarrow{k_{2}} C \)

W takim przypadku zanik substratu A można zapisać następującym równaniem:

\( [A]=[A]_0\cdot e^{-(k_1+k_2)_t} \)

Równanie kinetyczne dla reagenta A ma postać:

\( r=\frac{d[A]}{dt}=- (k_1+k_2) \cdot {[A]} \)