ساز و کار

سازوکار یا مکانیسم واکنش عبارت است از بررسی چگونگی انجام یک واکنش شیمیایی و مطالعه مراحل انجام آن در سطح مولکولی .

دونظریه در مورد سازوکار واکنش ها مطرح است که عبارتند از نظریه برخورد و نظریه حالت گذار.نظریه برخورد:

بر طبق نظریه برخورد هنگامی که یک واکنش شیمیایی انجام می شود که بین ذرات واکنش دهنده برخورد موثر صورت گیرد.

برخوردهای موثر دارای سه ویژگی هستند :

1- تعداد برخوردها در واحد حجم و زمان کافی باشد.

2- جهت گیری ذره ها به هنگام برخورد مناسب باشد.

3- برخورد انرژی کافی داشته باشد.

تعداد برخوردها :

اولین شرایط اساسی که موجب می شود برخورد ذرات واکنش دهنده منجر به انجام واکنش و تبدیل آن ها به فرآورده شود تعداد کافی برخوردها در واحد حجم و زمان است. هر چه غلظت واکنش دهنده ها بیشتر باشد تعداد برخوردهای میان آنها در واحد حجم و زمان بیشتر و در نتیجه سرعت واکنش بیشتر می شود.

نکته : هر گاه در واکنش تعداد مولکول های و تعداد مولکول های باشد آنگاه : تعداد برخورد = a×b

نکته : اگر در واکنش بالا غلظت برابر و غلظت برابر شود آنگاه تعداد برخوردهای میان ذرات آن ها (m×n) برابر می شود.

2- جهت گیری ذره ها :هر برخورد پر انرژی منجر به انجام واکنش نمی شود زیرا این برخوردها باید در راستای درست و مناسب انجام شود.

مثلا در واکنش برخوردی جهت مناسب دارد که :

3- انرژی ذره ها :همیشه برخوردهایی که دارای تعداد مناسب و جهت گیری مناسب هستند منجر به انجام واکنش نمی شوند , زیرا هر برخورد علاوه بر این دو شرط مهم باید دارای انرژی کافی نیز باشد.

برای شروع هر واکنش شیمیایی نیاز به یک حداقل انرژی داریم که به آن انرژی فعال سازی گفته می شود و آن را با نماد نشان می دهند.

اگر انرژی جنبشی مولکول های برخورد کننده در یک واکنش کمتر از حدی باشد که بتواند انرژی فعال سازی را فراهم کند واکنش صورت نمی گیرد.

نظریه حالت گذار :

مطابق این نظریه وقتی مولکول های واکنش دهنده ها با هم برخورد کنند . مدت زمانی در کنار یکدیگر قرار می گیرند در این زمان کوتاه پیوندهای اولیه سست شده و پیوندهای جدید در حال تشکیل هستند به این حالت حالت گذار یا پیچیده فعال می گویند . در واقع پیچیده فعال حالت گذاری است بین واکنش دهنده و فرآورده ها پیچیده فعال گونه بسیار ناپایداری است و نمی توان آن را در حین واکنش جداسازی و شناسایی کرد.

در نظریه حالت گذار برخی از نارسایی های نظریه برخورد بر طرف شده است برای نمونه نظریه برخورد برای واکنش های ساده در فاز گازی به کار می رود از این نظریه برای توجیه واکنش هایی که در فاز محلول انجام می شوند نمی توان استفاده کرد زیرا در حالت محلول فاصله بین ذره های واکنش دهنده کم است و نمی توان مانند فاز گازی ذره ها را جدا از یک دیگر و مسقل در نظر گرفت. این در حالی است که نظریه حالت گذار علاوه بر واکنش های در فاز گازی برای واکنش های در فاز محلول نیز قابل استفاده است.

رسم پیچیده فعال در یک واکنش :

برای رسم پیچیده فعال پیوندهایی که در واکنش دهنده وجود دارد اما در فرآورده ها وجود ندارد و پیوندهایی که در فرآورده ها وجود دارد و در واکنش دهنده ها وجود ندارد را با خط چین نمایش می دهیم.

مثال : واکنش را در نظر بگیرید :

در شکل (آ) واکنش دهنده ها به هم نزدیک می شوند.

در شکل (ب) پیوندای اولیه در حال شکستن و پیوندهای جدید در حال تشکیل شدن هستند به این مرحله حالت گذار یا پیچیده فعال گوئیم.

در شکل (پ) فرآورده ها از هم دور می شوند. چند نکته مهم در رابطه با نظریه حالت گذار :

1-انرژی پتانسیل پیچیده فعال هم از انرژی پتانسیل واکنش دهند ها و هم از انرژی پتانسیل فرآورده ها بالاتر است به همین دلیل بسیار ناپایدار است و یا به فرآورده ها تبدیل می شود و یا دوباره به صورت واکنش دهنده های اولیه در می آید.

2- به انرژی لازم برای تبدیل فرآورده ها به پیچیده فعال انرژی فعال سازی می گویند که انرژی لازم برای آغاز یک واکنش است.

3- در واکنش های برگشت پذیر اختلاف محتوای انرژی پیچیده فعال با واکنش دهنده ها را انرژی فعال سازی واکنش رفت و اختلاف محتوای انرژی پیچیده فعال با فرآورده ها را انرژی فعال سازی واکنش برگشت می گویند.

4- در واکنش های گرماگیر و در واکنش های گرماده است.

5 –

6- انرژی فعال سازی با سرعت واکنش نسبت عکس دارد هر چه کمتر سرعت بیشتر.

سازوکار واکنش های شیمیایی

یکی از هدف های سینتیک شیمیایی آشنایی با چگونگی انجام یک واکنش در سطح ذره ای است . برای این منظور باید توجه خود را به آن چه طی واکنش بر ذره های سازنده واکنش دهنده ها یا فرآورده ها می گذرد جلب و چگونگی تبدیل واکنش دهنده ها به فرآورده ها را بررسی کنیم. بسیاری از واکنش های شیمیایی طی چند مرحله انجام می شود. بررسی جزء به جزء مراحل انجام شدن یک واکنش یا بررسی فرآیند انجام شده در سطح ذره ای سازوکار واکنش نامیده می شود.

نکته مهم :

واکنش بنیادی واکنشی است یک مرحله ای که طی آن فرآورده ها از برخورد مستقیم واکنش دهنده ها به دست می آید . یک واکنش کلی اغلب از چند واکنش بنیادی تشکیل شده است.

به عنوان مثال سازوکار واکنش زیر شامل دو مرحله است :

برای هر مرحله از سازوکار یک واکنش یک حالت گذار وجود دارد. به تعداد حالت های گذار در نمودار تغییرات انرژی واکنش قله وجود دارد. مثلا واکنش زیر را در نظر بگیرید :

در بررسی سازوکار واکنش خوب است بدانیم که هر مرحله که بیشتری دارد سرعت کمتری داشته و نقش مهمی در تعیین سرعت واکنش کلی دارد.

در سازوکار یک واکنش اگر ذره ای در یک مرحله تولید و در مرحله دیگر مصرف شود حد واسط و اگر در یک مرحله مصرف و در مرحله دیگر تولید شود کاتالیزگر نام دارد.