Cinética química

Un mecanismo de reacción es el proceso de comprender la secuencia de eventos que ocurren a nivel molecular durante una reacción química. Implica el estudio de cómo los átomos, iones o moléculas individuales interactúan entre sí para formar los productos. Para entender mejor este concepto, piense en ello como si estuviera cocinando un plato complejo con varios ingredientes. El mecanismo de reacción es como una receta paso a paso que guía sobre cómo combinar los ingredientes para crear el plato final.

Para entender el mecanismo de reacción, primero entendamos las reacciones elementales. Una reacción elemental implica una colisión directa y la transformación de moléculas, átomos o iones individuales para producir productos específicos. En una reacción elemental no se forma un intermedio. Un ejemplo de una reacción elemental es la reacción entre el gas hidrógeno y el gas cloro. En esta reacción elemental, una molécula de gas hidrógeno choca con una molécula de gas cloro. Esta colisión produce dos moléculas de cloruro de hidrógeno.

Las reacciones complejas son reacciones químicas que implican múltiples pasos o reacciones elementales. Las reacciones elementales son como los componentes básicos de reacciones químicas complejas. Imagínese una receta para hacer una simple capa de pastel. Cada paso de agregar ingredientes y mezclarlos representa una reacción elemental. Ahora bien, una reacción compleja es como una serie de pasos necesarios para crear un pastel elegante con muchas capas y decoraciones. Cada reacción elemental de la serie contribuye al proceso general de elaboración del elegante pastel.

Tomemos un ejemplo de la reacción que ocurre en un motor de combustión interna. En esta reacción, el isooctano reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. A primera vista, podría parecer que esta reacción ocurre en un solo paso. En este único paso, las veinticinco moléculas de dioxígeno y las dos moléculas de isooctano chocan simultáneamente para producir treinta y cuatro moléculas del producto. Sin embargo, es muy poco probable que esto ocurra de repente.

Es más razonable creer que la reacción se produce a través de una serie de pasos individuales. Estos pasos individuales se conocen como reacciones elementales. Entendamos esto con un ejemplo sencillo. Dos moléculas de reactivo A reaccionan con una molécula de reactivo B. Esto forma el Producto C. Ahora bien, podría parecer que esta reacción es una reacción de un solo paso. Sin embargo, no es una reacción de un solo paso. Esta reacción en realidad se produce en dos pasos.

En el primer paso, dos moléculas del reactivo A reaccionan entre sí para formar X. En el segundo paso, X actúa como reactivo. X reacciona con el reactivo B para formar el producto C. Las reacciones del paso uno y del paso dos se denominan reacciones elementales. Estas reacciones elementales son los pasos de la reacción compleja.

La molecularidad se refiere al número de moléculas o átomos que participan como reactivos en una reacción elemental. En una reacción elemental, los reactivos chocan directamente y se convierten en productos. La molecularidad determina cuántas moléculas o átomos están involucrados en este proceso de colisión. Por ejemplo, la molécula de hidrógeno reacciona con la molécula de bromo para formar bromuro de hidrógeno. Es una reacción elemental. Implica dos moléculas. Estas moléculas son la molécula de hidrógeno y la molécula de bromo.

Basándonos en la molecularidad, podemos clasificar las reacciones en tres tipos. Estas son las reacciones unimoleculares, las reacciones bimoleculares y las reacciones termoleculares. En una reacción unimolecular, sólo una molécula sufre una transformación para formar los productos. Estas reacciones a menudo implican la descomposición o isomerización de una sola molécula. Por ejemplo, la conversión del reactivo A en el producto P es un ejemplo de reacción unimolecular. La molecularidad de la reacción unimolecular es una.

En una reacción bimolecular, dos moléculas chocan y reaccionan para formar el producto. Por ejemplo, el reactivo A choca con el reactivo B para formar el producto P. Esta reacción es una reacción bimolecular. Implica la colisión de dos moléculas reactivas. La molecularidad de una reacción bimolecular es dos.

Las reacciones termomoleculares implican la colisión simultánea de tres moléculas para generar el producto. Por ejemplo, el reactivo A, el reactivo B y el reactivo C chocan simultáneamente para formar el producto P. La molecularidad de la reacción termolecular es tres. Las reacciones termomoleculares son relativamente raras. Esto se debe a que la probabilidad de que tres moléculas colisionen simultáneamente es significativamente menor.

El orden de una reacción elemental se puede determinar a partir de su molecularidad. Una reacción unimolecular es la reacción de primer orden. Una reacción bimolecular es la reacción de segundo orden. Una reacción termolecular es la reacción de tercer orden.

Sabemos que una reacción compleja consta de múltiples reacciones elementales. En una reacción compleja, la molecularidad de una reacción elemental puede ser diferente a la de otra. ¿Cómo podemos determinar el orden de una reacción tan compleja? La respuesta a esta pregunta se encuentra en el paso de determinación de la velocidad.

Diferentes reacciones elementales tienen diferente velocidad en una reacción compleja. Algunos avanzan a gran velocidad. Algunos avanzan a velocidad lenta. La reacción elemental más lenta en una reacción compleja determina la velocidad de la reacción. Esta reacción elemental más lenta se denomina paso determinante de la velocidad.

Tomemos un ejemplo de una reacción compleja para comprender el paso que determina la velocidad. La sustitución de un haluro de alquilo terciario por un nucleófilo es un ejemplo de una reacción compleja. Esta reacción consta de dos pasos. En el primer paso, el grupo saliente del haluro de alquilo se va. Esto da como resultado la formación de un carbocatión. En el segundo paso, el nucleófilo ataca al carbocatión. Este ataque da como resultado la formación del producto.

Estos dos pasos también se llaman pasos elementales. En esta reacción, el primer paso elemental es el más lento. El primer paso determina la velocidad de la reacción. La molecularidad de la primera reacción elemental es una. Es una reacción unimolecular. Esto demuestra que es una reacción de primer orden.