2.9 : Çok Adımlı Reaksiyonlar

Kimyasal reaksiyonlar genellikle iki veya daha fazla farklı reaksiyonun bir sırayla gerçekleşmesini içeren adım adım gerçekleşir. Dengeli bir denklem, reaksiyona giren türleri ve ürün türlerini belirtir, ancak reaksiyonun moleküler düzeyde nasıl gerçekleştiğine ilişkin hiçbir ayrıntıyı ortaya çıkarmaz. Reaksiyon mekanizması (veya reaksiyon yolu), bir reaksiyonun meydana geldiği kesin, adım adım sürece ilişkin ayrıntıları sağlar. Bir reaksiyon mekanizmasındaki adımların her birine temel reaksiyon denir. Bu temel reaksiyonlar, adım denklemlerinde gösterildiği gibi sırayla meydana gelir ve genel reaksiyonu tanımlayan dengeli kimyasal denklemi verecek şekilde toplanırlar. Çok adımlı bir reaksiyon mekanizmasında, temel adımlardan biri diğerlerinden daha yavaş, bazen de önemli ölçüde daha yavaş ilerler. Bu en yavaş adıma hız sınırlayıcı adım (veya hız belirleyici adım) adı verilir. Bir reaksiyon en yavaş adımından daha hızlı ilerleyemez ve dolayısıyla hız belirleyen adım genel reaksiyon hızını sınırlar.

Genel bir reaksiyonu temsil eden dengeli denklemlerden farklı olarak, temel reaksiyonlara ilişkin denklemler, kimyasal değişimin net temsilcileridir. Temel bir reaksiyon denklemi, bağ kırılması/yapılması geçiren gerçek reaktanları ve oluşan ürünleri gösterir. Hız yasaları, temel reaksiyonlar için doğrudan dengeli kimyasal denklemlerden türetilebilir. Bununla birlikte, dengeli denklemlerin genellikle çok adımlı reaksiyon mekanizmalarından kaynaklanan kimyasal sistemdeki genel değişikliği temsil ettiği çoğu kimyasal reaksiyon için durum böyle değildir. Bu nedenle hız yasası deneysel verilerden belirlenmeli ve reaksiyon mekanizması daha sonra hız yasasından çıkarılmalıdır.

Örneğin NO_2 ve CO'nun reaksiyonunu düşünün:

225 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda bu reaksiyon için deneysel hız yasası şöyledir:

Hız kanununa göre reaksiyon, NO_2'ye göre birinci dereceden, CO'ya göre birinci derecedendir. Ancak 225 °C'nin altındaki sıcaklıklarda reaksiyon, göre ikinci dereceden farklı bir hız kanunu ile tanımlanır. NO_2'ye:

Bu oran kanunu tek adımlı mekanizmayla tutarlı değildir ancak aşağıdaki iki adımlı mekanizmayla tutarlıdır:

Hızı belirleyen (daha yavaş) adım, NO_2 konsantrasyonuna ikinci dereceden bağımlılığı gösteren bir hız yasasını verir ve iki temel denklemin toplamı net genel reaksiyonu verir.

Genel olarak hız belirleyici (daha yavaş) adım, reaksiyon mekanizmasının ilk adımı olduğunda, genel reaksiyonun hız yasası, bu adımın hız yasasıyla aynıdır. Bununla birlikte, hız belirleme adımından önce hızlı bir şekilde geri dönüşümlü bir reaksiyon içeren temel bir adım geldiğinde, genel reaksiyon için hız yasasının türetilmesi, genellikle reaksiyon ara ürünlerinin varlığından dolayı daha zor olabilir. Bu gibi durumlarda, ileri ve geri süreçlerin hızları eşit olduğunda tersinir bir reaksiyonun dengede olduğu kavramı kullanılabilir.