6.7 : تفاعل S_N2: الحركية

الدراسات الحركية وأهميتها

في التفاعل الكيميائي، توجد علاقة بين تركيز المواد المتفاعلة وسرعة التفاعل. وتعرف الدراسة لقياس هذه العلاقة بحركية التفاعل الكيميائي. تُستخدم الدراسات الحركية لاستنتاج قانون سرعة التفاعل الكيميائي، والذي يوفر معلومات حول الأنواع المشاركة أثناء الحالة الانتقالية للمرحلة المُحددة للمعدل. وهكذا فإن الدراسات الحركية تساعد في استخلاص آلية التفاعل.

الدراسات الحركية: كيفية قياس المعدل؟

يحدث التفاعل الكيميائي بمعدل معين عند درجة حرارة وضغط ومذيب معين. لا يمكن تحديد سرعة التفاعل إلا تجريبيا. وللقيام بذلك، يتم قياس معدل اختفاء المواد المتفاعلة أو معدل ظهور المنتجات في خليط التفاعل. في فترات زمنية محددة، يتم سحب عينات من خليط التفاعل وتحليلها لمعرفة تركيز المواد المتفاعلة أو المنتجات المتكونة. علاوة على ذلك، مع الحفاظ على درجة الحرارة وظروف المذيب كما هي، يتغير التركيز الأولي للتفاعل لملاحظة التأثير على سرعة التفاعل.

تفاعلات الاستبدال النيوكليوفيلية والحركية

في ثلاثينيات القرن العشرين، درس الكيميائيان البريطانيان السير كريستوفر إنجولد وإدوارد د. هيوز حركية المعدل لتفاعلات الاستبدال المختلفة لفهم الآلية المحتملة لتفاعلات الاستبدال المحبة للنواة (النيوكليوفيلية). ولاحظوا أن تفاعل الاستبدال المحب للنواة لهاليد الألكيل يتم من خلال آليتين محتملتين - إما في خطوة واحدة أو عبر خطوتين.

بالنسبة لتفاعلات معينة، مثل الكلوروميثان وهيدروكسيد الصوديوم، يعتمد سرعة التفاعل على تركيز كل من النيوكليوفيل وهاليد الألكيل. وعلى وجه التحديد، لاحظوا أنه عند مضاعفة تركيز أي من المواد المتفاعلة، يتضاعف سرعة التفاعل. علاوة على ذلك، عندما تضاعف تركيز المادتين المتفاعلتين، زاد المعدل أربع مرات، كما هو موضح في الجدول 1.

الجدول 1. دراسة سرعة التفاعل بين الكلوروميثان والهيدروكسيد عند 60 درجة مئوية

رقم التجربة	التركيز المبدئي [CH3Cl]	Initial [HO−]	التركيز المبدئي (mol L−1s−1)
1	0.0010	1.0	4.9 × 10⁻7
2	0.0020	1.0	9.8 × 10⁻7
3	0.0010	2.0	9.8 × 10⁻7
4	0.0020	2.0	19.6 × 10⁻7

وبذلك وجد أن معادلة المعدل هي:

معدل ∝ [CH₃Cl][HO⁻]

يوضح هذا أن المعدل هو من الدرجة الأولى فيما يتعلق بتركيز كل مادة متفاعلة ومن الدرجة الثانية بشكل عام.

تفاعلات S_N2 والحركية

• تشير حركية التفاعل أعلاه إلى أنه لكي يحدث الاستبدال، يتصادم النيوكليوفيل وهاليد الألكيل في خطوة واحدة لتكوين المنتج.
• يُقال إن جزيئية مثل هذه التفاعلات ثنائية الجزيئية حيث يشارك نوعان في خطوة تحديد المعدل.
• وبالتالي، فإن التفاعل بين كلورو ميثان وهيدروكسيد الصوديوم هو تفاعل S_N2، حيث يشير S إلى الاستبدال، وN إلى النيوكليوفيل، و2 إلى تفاعل ثنائي الجزيئي.