Back to chapter

13.10:

Snelheidsbepalende Stap

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Rate-Determining Steps

Idiomas

COMPARTILHAR

De meeste chemische reacties verlopen in een meerstaps reactiemechanisme. Maar hoe wordt een reactiemechanisme bepaald? Reactiemechanismen worden verondersteld op basis van hun uitgebalanceerde chemische vergelijkingen en experimenteel bepaalde snelheidsvergelijkingen van elke elementaire stap.Elke stap heeft een specifieke reactiesnelheid, snelheidsconstante en activeringsenergie. De langzaamste stap wordt de snelheidsbepalende stap genoemd en beïnvloedt de netto reactiesnelheid. Het kan worden gebruikt om de snelheidsvergelijking voor de algehele reactie te verifiëren en om een voorgesteld reactiemechanisme te valideren.Denk aan de ontleding van lachgas tot stikstof en zuurstof. De experimenteel bepaalde snelheidsvergelijking komt niet overeen met de snelheidsexpressie van een eenstapsreactie, wat wordt bevestigd door de waargenomen aanwezigheid van zuurstofatomen een reactietussenproduct. Daarom wordt een reactiemechanisme voorgesteld waarbij alle stappen cumuleren om de algehele reactie te geven.Ten eerste geven de snelheidsconstanten aan dat de eerste stap de snelheidsbeperkende stap. Het is de langzaamste en beïnvloedt dus de algehele reactiesnelheid. Een uit deze stap voorgestelde snelheidsvergelijking kan gelijk worden gesteld aan de algemene snelheidsvergelijking.Deze voorgestelde snelheidsvergelijking rechtstreeks afgeleid van de moleculaire concentratie van de elementaire reactant, komt overeen met de experimentele snelheidsvergelijking en verifieert het voorspelde reactiemechanisme. Veel reacties beginnen echter met een snelle eerste stap, gevolgd door een snelheidsbepalende stap. Hoe kunnen in dergelijke gevallen reactiemechanismen worden voorgesteld?Denk aan de vorming van nitrosylbromide. De experimentele snelheidsvergelijking is de tweede orde voor stikstofmonoxide en de eerste orde voor moleculair broom. De eerste stap is een snelle evenwichtsstap met gelijke voorwaartse en achterwaartse reactiesnelheden, gevolgd door de tweede snelheidsbepalende stap, die een reactietussenproduct bevat.Bijgevolg zal de voorgestelde snelheidsvergelijking het tussenproduct behouden. Daarom is een duidelijke vergelijking tussen de voorgestelde snelheidsvergelijking, die het reactietussenproduct met een onbekende concentratie bevat, en de experimentele snelheidsvergelijking, die de uitgangsreactanten accommodeert, moeilijk. Aangenomen dat de eerste stap in evenwicht is, kan de tussenconcentratie gelijk worden gesteld aan de concentraties van de reactanten.Het substitueren van deze relatie in de voorgestelde snelheidsvergelijking en het combineren van de snelheidsconstanten tot een algemene snelheidsconstante, genereert een uitdrukking die consistent is met de experimentele snelheidsvergelijking. Door de elementaire stappen te combineren, ontstaat de algehele evenwichtige vergelijking die voldoet aan de tweede vereiste voor een reactiemechanisme. Het voorgestelde tweestaps reactiemechanisme van nitrosylbromidevorming is dus geldig.

13.10:

Snelheidsbepalende Stap

Relating Reaction Mechanisms

In a multistep reaction mechanism, one of the elementary steps progresses significantly slower than the others. This slowest step is called the rate-limiting step (or rate-determining step). A reaction cannot proceed faster than its slowest step, and hence, the rate-determining step limits the overall reaction rate.

The concept of rate-determining step can be understood from the analogy of a 4-lane freeway with a short-stretch of traffic-bottleneck caused due to lane-closure. Like the bottleneck affecting the overall rate at which vehicles could travel, the slowest elementary step influences the net reaction rate.

Rate laws may be derived directly from the balanced chemical equations for elementary reactions. However, this is not the case for most chemical reactions, where balanced equations often represent the overall change in the chemical system, resulting from multistep reaction mechanisms. Therefore, the rate law must be determined from experimental data, and the reaction mechanism subsequently deduced from the rate law.

For instance, consider the reaction of NO2 and CO:

Eq1

The experimental rate law for this reaction at temperatures above 225 °C is:

Eq2

According to the rate law, the reaction is first order with respect to NO2 and first-order with respect to CO. This is consistent with a single-step bimolecular mechanism, and it is possible that this reaction mechanism is valid for this chemical process at high temperatures.

However, at temperatures below 225 °C, the reaction is described by a different rate law that is second order with respect to NO2:

Eq3

This rate law is not consistent with the single-step mechanism, but it is consistent with the following two-step mechanism:

Eq4

The rate-determining (slower) step gives a rate law showing second-order dependence on the NO2 concentration, and the sum of the two elementary equations gives the overall net reaction.

In general, when the rate-determining (slower) step is the first step in the reaction mechanism, the rate law for the overall reaction is the same as the rate law for this step. However, when the rate-determining step is preceded by an elementary step involving a rapidly reversible reaction, the rate law for the overall reaction may be more difficult to derive, often due to the presence of reaction intermediates.

In such instances, the concept that a reversible reaction is at equilibrium when the rates of the forward and reverse processes are equal can be utilized.

For example, consider the reversible elementary reaction in which NO dimerizes to yield an intermediate species N2O2. When this reaction is at equilibrium:

Eq5

This expression may be rearranged to express the concentration of the intermediate in terms of the reactant NO:

Eq6

This approach can be utilized in formulating rate laws for overall reactions when reaction intermediates are present.

Example of Deriving the Rate Law from a Reaction Mechanism

Consider a reaction between nitrogen monoxide and molecular chlorine, for which a two-step mechanism is proposed as shown:

Eq7

This mechanism can be used to derive the equation and predict the rate law for the overall reaction. Initially, by adding the two elementary reactions, the equation for the overall reaction is obtained.

Eq8

To derive a rate law from this mechanism, the rates laws for each of the two elementary steps are written:

Eq9

According to the proposed reaction mechanism Step 2 is the rate-determining step. Hence, the rate law for the overall reaction should be the same as the rate law for this elementary step. However, the rate law for Step 2 contains an intermediate species concentration, [NOCl2]. To modify this, the rate law of the first elementary step is used to derive an expression for the intermediate concentration in terms of reactant concentrations.

Assuming Step 1 is at equilibrium;

Eq10

Substituting this expression into the rate law for Step 2 yields:

Eq11

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 12.6: Reaction Mechanisms.