Elementarna reakcija

Elementarna reakcija predstavlja hemijsku reakciju u kojoj jedna ili više specija (atoma, molekula, iona ili radikala) prelaze u produkte u samo jednom (elementarnom) koraku i preko samo jednog prelaznog stanja. U principu, elementarne reakcije predstavljaju kvant hemijske konverzije.

Prema široj definiciji, elementarnom reakcijom se smatra svaka promjena na molekulskom nivou koja je ostvarena kao jedinstven događaj. Prema ovoj definiciji mogu se razgraničiti dvije vrste elementarnih promjena:

- Elementarne fizičke reakcije, koje obuhvataju neelastične sudare između čestica reaktanata, pri čemu, osim promjene relativnih brzina čestica, dolazi i do promjena u unutrašnjem kvantnom stanju bar jedne čestice. Kod ovih reakcija ne dolazi do promjena sastava reakcione smjese.

- Elementarne hemijske reakcije, kojima su obuhvaćeni svi sudari između čestica reaktanata, a koji za ishod imaju promjenu molekulske strukture, energije i sastava.

Kinetička klasifikacija

U hemijskoj kinetici se nepovratne elementarne reakcije klasifikuju prema kriterijumu molekularnosti, koji je 1884. godine definisao Van't Hoff. Molekularnost predstavlja broj čestica reaktanata koje učestvuju u samom aktu posmatrane elementarne reakcije.

Monomolekularna elementarna reakcija (m = 1) je, npr. disocijacija ili izomerizacija neke molekule A, pri čemu nastaju jedan ili više produkata:

${\mbox{A}}\rightarrow {\mbox{produkti}}$

Brzina ovakve reakcije, pri konstantnoj temperaturi, proporcionalna je koncentraciji specije A:

${\frac {d[{\mbox{A}}]}{dt}}=-k[{\mbox{A}}]$

U bimolekularnoj elementarnoj reakciji (m = 2), dva atoma, molekule, iona ili radikala, A i B, reaguju u jednom koraku, formirajući produkte:

${\mbox{A + B}}\rightarrow {\mbox{produkti}}$

Brzina takve reakcije, pri konstantnoj temperaturi, proporcionalna je proizvodu koncentracija specija A i B.

${\frac {d[{\mbox{A}}]}{dt}}={\frac {d[{\mbox{B}}]}{dt}}=-k[{\mbox{A}}][{\mbox{B}}]$

Ovaj izraz za brzinu se može izvesti pomoću teorije sudara. Izraz za brzinu elementarne bimolekularne reakcije odnosi se još i na Zakon o djelovanju mase koji su prvi put dali Guldberg i Waage 1864. godine. Primjer ovog tipa elementarne reakcije je reakcije cikloadicije.

Trimolekularna elementarna reakcija (m = 3) predstavlja simultanu reakciju tri hemijske specije. Vjerovatnoća da će tri specije ostvariti povoljnu interakciju (da će se sudariti) u istom trenutku je mala, pa su ovakve reakcije rijetke.

Van't Hoffov kriterij molekularnosti omogućava definisanje opštih stehiometrijskih jednačina elementarnih rekacija, koje na zavise od kvaliteta hemijske promjene ili karekatera sredine u kojoj se odigravaju.

Hemijska klasifikacija

Postoje različite hemijske reakcije kod kojih se cjelokupna hemijska pretvorba, koju predviđa stehiometrijska jednačina, može ostvariti u jednom koraku. Na osnovu vrste hemijskih promjena do kojih dolazi u elementarnim reakcijama, one se dijele na:

- Reakcije izomerizacije, kao npr, geometrijska izomerizacija cis-2-butena u trans-2-buten, koja se dešava prema stehiometrijskoj jednačini:

- Reakcije proste razgradnje, koje imaju za posljedicu raskidanje samo jedne veze u molekuli reaktanta, kao npr. piroliza etana na dva metil radikala:

- Reakcije asocijacije ili reakcije rekombinacije u kojima dolazi do stvaranja jedne veze, npr. prilikom rekombinacije dva etil radikala u butan:

- Reakcije izmjene ili reakcije prenosa (metateze), koje karakteriše istovremeno prekidanje jedne i uspostavljanje druge veze, prilikom prenosa atoma sa jedne molekule na drugu, npr. pri stvaranju hlorovodika:

- Reakcije disocijacije, npr. dvoatomnih molekula:

gdje je M partner u sudaru koji omogućava da dođe do raskidanja veze i koji se u hemijskoj kinetici naziva treće tijelo.

- Reakcije rekombinacije atoma, koje se sastoje od uspostavljanja jedne veze, ali samo u prisustvu trećeg tijela, koje ima zadatak da primi višak energije, zbog koje atomi nisu u mogućnosti da između sebe uspostave vezu:

Bilo koja hemijska rekcija se može rastaviti na set elementarnih reakcija. Izvođenje izraza za ukupnu brzinu nekih uobičajenih reakcija nije uvijek moguće, ali postoje pogodni načini da se ona analizira, kao na primjer aproksimacija o stacionarnom stanju ili Michaelis-Mentenova kinetika za reakcije katalizirane enzimima.