Reakcje równoległe - Polski Serwis Naukowy

Reakcje równoległe – elementarne reakcje chemiczne, które zachodzą równocześnie w tym samym środowisku, czego wynikiem jest powstawanie mieszaniny produktów reakcji prostych. Równanie reakcji złożonej z dwóch lub wielu reakcji równoległych jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych.

Reakcja chemiczna – każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną substancję zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Reakcje chemiczne przebiegają z reguły z wydzieleniem lub pochłonięciem energii cieplnej, promienistej (alfa lub beta) lub elektrycznej.

Reakcja następcza – złożona reakcja chemiczna, w której produkty powstają z substratów dwuetapowo lub wieloetapowo, poprzez produkty przejściowe, powstające w kolejnych reakcjach elementarnych. W tych etapach reakcji następczej mogą zachodzić reakcje proste, odwracalne lub równoległe, np.:

Równanie kinetyczne

Zapisanie równania kinetycznego reakcji równoległych wymaga znajomości mechanizmu procesu, w tym wiedzy o liczbie i wzajemnym powiązaniu reakcji elementarnych, np. z mieszaniny substratów A, B i C mogą powstawać produkty D, E, F i G.

Przykład reakcji złożonej z trzech elementarnych reakcji równoległych

Równanie reakcji, zapisywane np. jako:

Stała równowagi - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama.

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne (WNT) – polskie wydawnictwo założone w roku 1949 z siedzibą w Warszawie. Do roku 1961 funkcjonowało pod nazwą Państwowe Wydawnictwa Techniczne.

2 A + B + C = D + 2 E + 2 F

może np. być sumą reakcji: A → D + E A + B → E + F B + C → F

W najprostszym przypadku dwóch zachodzących równolegle reakcji pierwszego rzędu:

A → B
A → C

szybkość reakcji (r) wyraża się jako: $r = - \frac{d c_A}{dt} = k_1 c_A + k_2 c_A = (k_1 + k_2) c_A$

gdzie k1 i k2 – stałe szybkości reakcji 1 i 2.

Po przegrupowaniu zmiennych otrzymuje się:

Stanisław Bursa (ur. 9 listopada 1921 w Skierniewicach, zm. 7 czerwca 1987 w Szczecinie) – chemik, specjalista w zakresie chemii fizycznej, naukowiec i nauczyciel akademicki.

Produkt reakcji to cząsteczka związku chemicznego lub inne indywidum chemiczne (np. jon), wynik reakcji chemicznej. Często jest to pojęcie umowne - gdy produkty i substraty reakcji są w stanie równowagi chemicznej, w skali mikroskopowej reakcja biegnie w obie strony z jednakową szybkością.

$- \frac{d c_A}{c_A} = (k_1 + k_2) dt$ ,

a po scałkowaniu w granicach od t = 0 do t = t i od c = a do c = c: $ln \frac{a}{c_A} = (k_1 + k_2) t$ $c_A = a e^{-(k_1 + k_2) t}$

Szybkość powstawania produktów B i C wyrażają równania: $\frac{d c_B}{d t} = k_1 c_A = k_1 a e^{-(k_1 + k_2) t}$ $\frac{d c_C}{d t} = k_2 c_A = k_2 a e^{-(k_1 + k_2) t}$

które pozwalają określić zmiany stężenia produktów B i C w czasie: $c_B = - \frac{k_1}{k_1 + k_2} a e^{- (k_1 + k_2) t} + \frac{a k_1}{k_1 + k_2}$ $c_C = - \frac{k_2}{k_1 + k_2} a e^{- (k_1 + k_2) t} + \frac{a k_2}{k_1 + k_2}$

Dzieląc oba równania stronami uzyskuje się wyrażenie: $\frac{c_B}{c_C} = \frac{k_1}{k_2} = const$

Utrzymywanie się stałej wartości stosunku stężeń produktów obu reakcji równoległych jest treścią „zasady Wegscheidera”.

Józef Szarawara (ur. 26 lutego 1924, Janowiczki k. Racławic) – inżynier-chemik, nauczyciel akademicki i naukowiec, działający w wielu obszarach technologii i inżynierii chemicznej, termodynamiki stosowanej oraz kinetyki i inżynierii reakcji chemicznych.

Piroliza (inaczej destylacja rozkładowa) to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Jest procesem wysokotemperaturowym, bezkatalitycznym (katalizator obniża jedynie temperaturę o kilkadziesiąt stopni, więc jest to nieopłacalne).

Zasada nie ogranicza się do reakcji pierwszego rzędu, ale warunkiem jest, aby obie reakcje miały ten sam rząd.

Przykłady reakcji równoległych

Do reakcji równoległych zalicza się np. nitrowanie fenolu w roztworze kwasu octowego, prowadzące do otrzymania mieszaniny izomerów orto-, meta- i para-:

C6H5OH + mieszanina nitrująca → o-nitrofenol, 59,2%
C6H5OH + mieszanina nitrująca → m-nitrofenol, 3,3%
C6H5OH + mieszanina nitrująca → p-nitrofenol, 37,5%

Stosunek ilości produktów nitrowania jest stały w czasie biegu reakcji.

Kwas octowy (wg obecnej nomenklatury systematycznej IUPAC kwas etanowy lub kwas metanokarboksylowy) to związek organiczny z grupy kwasów karboksylowych o wzorze CH3COOH.

Stechiometria – dział chemii zajmujący się stosunkami ilościowymi przemian związków chemicznych zachodzących w czasie reakcji chemicznych. Stechiometria zajmuje się ustaleniem w jakich proporcjach ilościowych reagują z sobą związki chemiczne i jakie są proporcje substratów do produktów. Proporcje te wylicza się na podstawie równań chemicznych analizowanych reakcji oraz znajomości mas cząsteczkowych substratów i produktów.

Reakcja termicznego rozkładu chloranu potasu jest zapisywana jako: 6 KClO3 → 3 KClO4 + 2 KCl + 3 O2

Taki zapis jest efektem sumowania dwóch równoległych reakcji elementarnych:

2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2
3 KClO3 → 3 KClO4 + KCl

Zobacz też

Reakcja złożona

Reakcja odwracalna

Reakcja następcza

Przypisy

↑ Stanisław Bursa: Chemia fizyczna. Wyd. Wyd. 2 popr. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979, s. 589-670. ISBN 83-01-00152-6.
↑ Antoni Basiński i wsp.: Chemia fizyczna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1966, s. 573–574.
Józef Szarawara: "Termodynamika chemiczna". Warszawa: WNT, 1969, s. 383-385.