حركية كيميائية

آلية التفاعل هي عملية فهم تسلسل الأحداث التي تحدث على المستوى الجزيئي أثناء التفاعل الكيميائي. يتضمن دراسة كيفية تفاعل الذرات أو الأيونات أو الجزيئات الفردية مع بعضها البعض لتشكيل المنتجات. لفهم هذا المفهوم بشكل أفضل، فكر فيه كما لو كنت تقوم بطهي طبق معقد يحتوي على مكونات مختلفة. آلية التفاعل تشبه الوصفة خطوة بخطوة التي ترشدك إلى كيفية الجمع بين المكونات لإنشاء الطبق النهائي.

لفهم آلية التفاعل، دعونا أولاً نفهم التفاعلات الأولية. يتضمن التفاعل الأولي تصادمًا مباشرًا وتحويلًا للجزيئات الفردية أو الذرات أو الأيونات لإنتاج منتجات محددة. لا يتكون وسيط في التفاعل الأولي. من الأمثلة على التفاعلات الأولية هو التفاعل بين غاز الهيدروجين وغاز الكلور. في هذا التفاعل الأولي، يصطدم جزيء واحد من غاز الهيدروجين بجزيء واحد من غاز الكلور. يؤدي هذا الاصطدام إلى إنتاج جزيئين من كلوريد الهيدروجين.

التفاعلات المعقدة هي تفاعلات كيميائية تتضمن خطوات متعددة أو تفاعلات أولية. التفاعلات الأولية هي بمثابة اللبنات الأساسية للتفاعلات الكيميائية المعقدة. تخيل وصفة لصنع طبقة بسيطة من الكعكة. كل خطوة من خطوات إضافة المكونات وخلطها تمثل تفاعلًا أوليًا. الآن، التفاعل المعقد يشبه سلسلة من الخطوات اللازمة لإنشاء كعكة فاخرة ذات طبقات وزخارف متعددة. يساهم كل تفاعل أولي في السلسلة في العملية الشاملة لصنع الكعكة الفاخرة.

دعونا نأخذ مثالا على التفاعل الذي يحدث في محرك الاحتراق الداخلي. في هذا التفاعل يتفاعل الأيزوكتان مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء. قد يبدو للوهلة الأولى أن هذا التفاعل يحدث بخطوة واحدة. في هذه الخطوة الواحدة، تتصادم جزيئات الأكسجين الخمسة والعشرون وجزيئات الأيزوكتان في وقت واحد لإنتاج أربعة وثلاثين جزيئًا من المنتج. ومع ذلك، فمن غير المرجح إلى حد كبير أن يحدث هذا دفعة واحدة.

ومن الأكثر منطقية أن نعتقد أن رد الفعل يتم من خلال سلسلة من الخطوات الفردية. وتُعرف هذه الخطوات الفردية بالتفاعلات الأولية. دعونا نفهم هذا بمثال بسيط. يتفاعل جزيئان من المتفاعل أ مع جزيء واحد من المتفاعل ب. وهذا يشكل المنتج C. قد يبدو الآن أن هذا التفاعل هو تفاعل بخطوة واحدة. ومع ذلك، فهو ليس رد فعل بخطوة واحدة. في الواقع، يتم هذا التفاعل على خطوتين.

في الخطوة الأولى، تتفاعل جزيئين من المادة المتفاعلة A مع بعضهما البعض لتكوين X. في الخطوة الثانية، يعمل X كمتفاعل. يتفاعل X مع المتفاعل B لتكوين المنتج C. تسمى التفاعلات من الخطوة الأولى والخطوة الثانية بالتفاعلات الأولية. هذه التفاعلات الأولية هي خطوات التفاعل المعقد.

تشير الجزيئية إلى عدد الجزيئات أو الذرات التي تشارك كمتفاعلات في تفاعل أولي. في التفاعل الأولي، تتصادم المواد المتفاعلة بشكل مباشر وتتحول إلى المنتجات. تحدد الجزيئية عدد الجزيئات أو الذرات المشاركة في عملية الاصطدام هذه. على سبيل المثال، يتفاعل جزيء الهيدروجين مع جزيء البروم لتكوين بروميد الهيدروجين. إنه رد فعل ابتدائي. فهو يتضمن جزيئين. هذه الجزيئات هي جزيء الهيدروجين وجزيء البروم.

على أساس الجزيئية، يمكننا تصنيف التفاعلات إلى ثلاثة أنواع. هذه هي التفاعلات الأحادية الجزيء، والتفاعلات ثنائية الجزيء، والتفاعلات الجزيئية الحرارية. في التفاعل أحادي الجزيء، يخضع جزيء واحد فقط للتحول لتكوين المنتجات. تتضمن هذه التفاعلات غالبًا تحلل أو تكوين أيزومرات لجزيء واحد. على سبيل المثال، تحويل المتفاعل A إلى الناتج P هو مثال على التفاعل أحادي الجزيء. الجزيئية للتفاعل الأحادي الجزيء هي واحدة.

في التفاعل الجزيئي الثنائي، يصطدم جزيئين ويتفاعلان لتكوين المنتج. على سبيل المثال، يصطدم المتفاعل A مع المتفاعل B لتكوين المنتج P. هذا التفاعل هو تفاعل ثنائي الجزيء. يتضمن تصادم جزيئين متفاعلين. الجزيئية للتفاعل الثنائي الجزيئي هي اثنتان.

تتضمن التفاعلات الحرارية الجزيئية تصادم ثلاث جزيئات في وقت واحد لتوليد المنتج. على سبيل المثال، يصطدم المتفاعل A، والمتفاعل B، والمتفاعل C في نفس الوقت لتكوين المنتج P. الجزيئية للتفاعل الجزيئي الحراري هي ثلاثة. التفاعلات الحرارية الجزيئية نادرة نسبيا. ويرجع ذلك إلى أن احتمالية اصطدام ثلاث جزيئات في وقت واحد أقل بكثير.

يمكن تحديد رتبة التفاعل الأولي من خلال جزيئاته. التفاعل أحادي الجزيء هو التفاعل من الدرجة الأولى. التفاعل الثنائي الجزيئي هو التفاعل من الدرجة الثانية. التفاعل الجزيئي الحراري هو التفاعل من الدرجة الثالثة.

نحن نعلم أن التفاعل المعقد يتكون من تفاعلات أولية متعددة. في التفاعل المعقد، يمكن أن تكون الجزيئات الخاصة بأحد التفاعلات الأولية مختلفة عن الجزيئات الخاصة بالتفاعلات الأخرى. كيف يمكننا تحديد ترتيب هذا التفاعل المعقد؟. الجواب على هذا السؤال يكمن في خطوة تحديد المعدل.

تختلف سرعة التفاعلات الأولية المختلفة في التفاعل المعقد. بعضهم يتحرك بسرعة كبيرة. بعضهم يتحرك بسرعة بطيئة. يحدد أبطأ تفاعل أولي في التفاعل المعقد معدل التفاعل. هذا التفاعل الأولي الأبطأ هو ما يسمى بخطوة تحديد المعدل.

دعونا نأخذ مثالا لتفاعل معقد لفهم الخطوة التي تحدد المعدل. إن استبدال هاليد الألكيل الثالثي بالنواة هو مثال على التفاعل المعقد. يتكون هذا التفاعل من خطوتين. في الخطوة الأولى، تغادر المجموعة المغادرة من هاليد الألكيل. ويؤدي هذا إلى تكوين الكاتيونات الكربونية. في الخطوة الثانية يقوم النوكليوفيل بمهاجمة الكربونات. يؤدي هذا الهجوم إلى تكوين المنتج.

وتسمى هاتين الخطوتين أيضًا بالخطوات الأولية. في هذا التفاعل، الخطوة الأولية الأولى هي الأبطأ. الخطوة الأولى تحدد معدل التفاعل. الجزيئية للتفاعل الأولي هي واحدة. إنه تفاعل أحادي الجزيء. وهذا يدل على أن هذا هو رد فعل من الدرجة الأولى.