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Mecanismo de reacción

Un mecanismo de reacción es un postulado teórico que intenta explicar de manera lógica cuáles son las reacción(es) elemental(es) e intermediarios que suceden en una reacción química y que permiten explicar las características cualitativas (desarrollo de color, aparición de precipitados, etc.) y cuantitativas (una de las más importantes la velocidad de reacción) observadas en su desarrollo. El mecanismo debe soportarse en los datos experimentales reportados para la reacción estudiada como los intermediarios, complejo(s) activado(s) y/o especies aislados en el trabajo experimental; la energía involucrada en cada paso propuesto (que determina la velocidad de reacción), cambios de fase, los efectos inducidos por el catalizador (si es que se adiciona alguno), los productos obtenidos, el rendimiento de la reacción, la estereoquímica de los productos, etc.

Figura 1 Superficie de energía potencial que utilizó Eyring para estudiar la reacción del HBr . La altura representa la energía del sistema en una determinada configuración.

Las reacciones elementales pueden estudiarse a partir del cambio de la energía potencial en las moléculas involucradas mientras se aproximan entre sí, el primer estudio de este tipo fue realizado por Henry Eyring y fue la base para el desarrollo de la dinámica química. Basados en cálculos de física cuántica Eyring realizó una superficie donde se representa el cambio de coordenadas internas (distancia de aproximación entre los átomos de las moléculas) vs energía potencial. Todas las posibles configuraciones que puedan llegar a ocurrir en el sistema se encuentran allí, la disociación de las moléculas en átomos el "rompimiento" y la "formación" de nuevos enlaces y la formación de cualquier tipo de Intermediario o especie química. Existen dos zonas especialmente importantes que permiten caracterizar la velocidad de las reacción(es) elemental(es) una es conocida como valle de potencial y es donde se encuentran las especies estables y otra como punto de silla donde encontramos el estado de transición. Una reacción química es entonces un proceso donde las moléculas pasan desde un valle de potencial a otro, por intermedio de un estado de transición y continuará hasta que se formen los productos observados y/o la entropía del sistema sea la máxima que pueda obtenerse en las condiciones que se realiza. Los mecanismos de reacción son postulados teóricos sobre la superficie de energía potencial y la ruta que sigue una reacción química, y pueden "demostrarse" basados en las características cuantitativas y cualitativas observadas experimentalmente, generalmente la más importante de todas es la velocidad de reacción.

Figura 2 Punto de silla en la superficie potencial donde se encuentra la configuración del estado de transición.

Conceptos básicos

Desde un punto de vista termodinámico, una ecuación química, los reactivos que son el estado inicial y los productos el estado final, hay una variación de energía libre. La energía libre debe ser negativa ya que será una reacción espontánea, es decir, que la reacción podrá llevarse a cabo sin ningún impedimento termodinámico.

Para hacer más fácil la explicación será mejor hacerla con un ejemplo:

 

Para hacer el enlace A-B, los reactivos se tienen que cortar las distancias, pero esto aumenta la fuerza de repulsión de los electrones. Para evitar esta repulsión, los reactivos tendrán que acercarse con suficiente energía cinética. Por encima de esta energía, las moléculas A y B forman enlaces y a la vez, las moléculas B y C están rompiendo el suyo. En este momento hay un complejo formado por A, B y C, llamado complejo activado. Al final todos los enlaces del B y C serán rotos y los enlaces A y B serán formados, es decir, los productos.

También hay que hacer mención de la energía de activación , que es la diferencia entre la energía de los reactivos y la del complejo activado. Se puede considerar como una barrera energética por la que deben pasar los reactivos para pasar a ser productos.

Tipos

Reacciones elementales o concertadas

La Ley de velocidad permite caracterizar un mecanismo de reacción en Una reacción elemental transcurre en solo una etapa. Esta reacción se produce con una formación de un solo complejo activado y solo tiene que superar una barrera energética. Se representa en una sola ecuación química.

Existen 3 tipos de reacciones elementales, los cuales son: 9665

Reacciones complejas

Una reacción compleja transcurre en 2 o más etapas, con formación de intermediarios. También podemos decir que es un conjunto de reacciones elementales, donde hay más de una formación de complejos activados diferentes y supera diferentes barreras energéticas. Se expresa en varias ecuaciones químicas o en una global. En la ecuación química global, se representa el estado inicial y el estado final del global de las reacciones, pero no presenta como ha transcurrido la reacción.

Los intermediarios son moléculas que aparecen en el mecanismo de la reacción, pero no en la ecuación inicial.

Molecularidad

La molecularidad es un concepto bastante útil para poder determinar cómo es el estado de transición y cuanta energía se necesita para llegar a él. Dado que las velocidades de reacción en una primera aproximación dependen únicamente del paso lento, se define como el número de moléculas involucradas en el estado de transición de la reacción elemental más lenta:

  • Unimoleculares: Solo participa una molécula.
  • Bimoleculares: Participan 2 moléculas.
  • Trimoleculares: Participan 3 moléculas

La molecularidad puede obtenerse experimentalmente como el orden de reacción en la ley de velocidad. En ocasiones existen órdenes de reacción fraccionarios, porque el reactivo adicionado no reacciona directamente sino lo hace un intermediario que está en equilibrio con este o si existe más de un reacción elemental "lenta" (en estos casos los órdenes de reacción no pueden interpretarse como la molecularidad). Teniendo en cuenta que las moléculas de una sustancia se encuentran en una distribución de Boltzmann es muy improbable estadísticamente que choquen cuatro moléculas al mismo tiempo por eso no existen reacciones tetramoleculares.

Ejemplo de mecanismo

Como ejemplo consideramos la reacción global entre el óxido nítrico y el oxígeno:

 

Se sabe que los productos no se forman directamente como resultado de la colisión de dos moléculas NO con una molécula de O2 porque se ha encontrado la especie N2O2 durante el curso de la reacción. Un mecanismo posible es suponer que la reacción se lleva a cabo en dos etapas o reacciones elementales como las siguientes:

  primera etapa

  segunda etapa

En la primera etapa dos moléculas de NO chocan para formar una molécula de N2O2; es una reacción bimolecular. Después, sigue una reacción, entre el N2O2 y el O2 para formar dos moléculas de NO2; es una reacción bimolecular. La ecuación química global, que representa el cambio total, se puede interpretar como la suma de estas dos etapas.

Las especies como el N2O2 es el intermediario de la reacción.

Reacciones orgánicas por su mecanismo

En química orgánica cada reacción tiene un mecanismo de reacción por pasos que explica cómo sucede, aunque no siempre es clara una descripción detallada a partir solamente de una lista de reactantes. Las reacciones orgánicas pueden ser organizadas en algunos tipos básicos. Algunas reacciones encajan en más de una categoría. Por ejemplo, algunas reacciones de sustitución siguen una trayectoria de adición-eliminación. Esta apreciación general no pretende incluir cada reacción orgánica individual. Por el contrario, solamente pretende cubrir las reacciones básicas.

Tipo de reacción Subtipo Comentario
Reacciones de adición adición electrofílica incluye reacciones tales como la halogenación, hidrohalogenación e hidratación.
adición nucleofílica
adición radicalaria
Reacción de eliminación incluye procesos tales como la deshidratación, y se observa que siguen mecanismos de reacción E1, E2, o E1cB
Reacciones de sustitución sustitución nucleofílica alifática con mecanismos de reacción SN1, SN2 y SNi
sustitución nucleofílica aromática
sustitución nucleofílica acílica
sustitución electrofílica
sustitución electrofílica aromática
sustitución radicalaria
reacciones orgánicas redox son reacciones redox específicas de los compuestos orgánicos y son muy comunes.
Reacciones de transposición Transposiciones 1,2
Reacciones pericíclicas
metátesis

En general, el curso paso a paso de los mecanismos de reacción puede ser representado usando fórmulas estructurales y estructuras moleculares, en las que se usan flechas curvadas para seguir el movimiento de los electrones como materiales de transición iniciales, hasta los intermediarios y productos.

 
Mecanismo de reacción de la hidrólisis de ATP.
  •   Datos: Q373406
  •   Multimedia: Reaction mechanisms

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Un mecanismo de reaccion es un postulado teorico que intenta explicar de manera logica cuales son las reaccion es elemental es e intermediarios que suceden en una reaccion quimica y que permiten explicar las caracteristicas cualitativas desarrollo de color aparicion de precipitados etc y cuantitativas una de las mas importantes la velocidad de reaccion observadas en su desarrollo El mecanismo debe soportarse en los datos experimentales reportados para la reaccion estudiada como los intermediarios complejo s activado s y o especies aislados en el trabajo experimental la energia involucrada en cada paso propuesto que determina la velocidad de reaccion cambios de fase los efectos inducidos por el catalizador si es que se adiciona alguno los productos obtenidos el rendimiento de la reaccion la estereoquimica de los productos etc Figura 1 Superficie de energia potencial que utilizo Eyring para estudiar la reaccion del HBr La altura representa la energia del sistema en una determinada configuracion Las reacciones elementales pueden estudiarse a partir del cambio de la energia potencial en las moleculas involucradas mientras se aproximan entre si el primer estudio de este tipo fue realizado por Henry Eyring y fue la base para el desarrollo de la dinamica quimica Basados en calculos de fisica cuantica Eyring realizo una superficie donde se representa el cambio de coordenadas internas distancia de aproximacion entre los atomos de las moleculas vs energia potencial Todas las posibles configuraciones que puedan llegar a ocurrir en el sistema se encuentran alli la disociacion de las moleculas en atomos el rompimiento y la formacion de nuevos enlaces y la formacion de cualquier tipo de Intermediario o especie quimica Existen dos zonas especialmente importantes que permiten caracterizar la velocidad de las reaccion es elemental es una es conocida como valle de potencial y es donde se encuentran las especies estables y otra como punto de silla donde encontramos el estado de transicion Una reaccion quimica es entonces un proceso donde las moleculas pasan desde un valle de potencial a otro por intermedio de un estado de transicion y continuara hasta que se formen los productos observados y o la entropia del sistema sea la maxima que pueda obtenerse en las condiciones que se realiza Los mecanismos de reaccion son postulados teoricos sobre la superficie de energia potencial y la ruta que sigue una reaccion quimica y pueden demostrarse basados en las caracteristicas cuantitativas y cualitativas observadas experimentalmente generalmente la mas importante de todas es la velocidad de reaccion Figura 2 Punto de silla en la superficie potencial donde se encuentra la configuracion del estado de transicion Indice 1 Conceptos basicos 2 Tipos 2 1 Reacciones elementales o concertadas 2 2 Reacciones complejas 3 Molecularidad 4 Ejemplo de mecanismo 5 Reacciones organicas por su mecanismoConceptos basicos EditarDesde un punto de vista termodinamico una ecuacion quimica los reactivos que son el estado inicial y los productos el estado final hay una variacion de energia libre La energia libre debe ser negativa ya que sera una reaccion espontanea es decir que la reaccion podra llevarse a cabo sin ningun impedimento termodinamico Para hacer mas facil la explicacion sera mejor hacerla con un ejemplo A g B C g A B g C g c o n D r G lt 0 displaystyle mathrm A g BC g longrightarrow AB g C g con Delta rm r G lt 0 Para hacer el enlace A B los reactivos se tienen que cortar las distancias pero esto aumenta la fuerza de repulsion de los electrones Para evitar esta repulsion los reactivos tendran que acercarse con suficiente energia cinetica Por encima de esta energia las moleculas A y B forman enlaces y a la vez las moleculas B y C estan rompiendo el suyo En este momento hay un complejo formado por A B y C llamado complejo activado Al final todos los enlaces del B y C seran rotos y los enlaces A y B seran formados es decir los productos Tambien hay que hacer mencion de la energia de activacion que es la diferencia entre la energia de los reactivos y la del complejo activado Se puede considerar como una barrera energetica por la que deben pasar los reactivos para pasar a ser productos Tipos EditarReacciones elementales o concertadas Editar La Ley de velocidad permite caracterizar un mecanismo de reaccion en Una reaccion elemental transcurre en solo una etapa Esta reaccion se produce con una formacion de un solo complejo activado y solo tiene que superar una barrera energetica Se representa en una sola ecuacion quimica Existen 3 tipos de reacciones elementales los cuales son 9665 Combinacion A B AB Descomposicion AB A B Desplazamiento AB C AC BReacciones complejas Editar Una reaccion compleja transcurre en 2 o mas etapas con formacion de intermediarios Tambien podemos decir que es un conjunto de reacciones elementales donde hay mas de una formacion de complejos activados diferentes y supera diferentes barreras energeticas Se expresa en varias ecuaciones quimicas o en una global En la ecuacion quimica global se representa el estado inicial y el estado final del global de las reacciones pero no presenta como ha transcurrido la reaccion Los intermediarios son moleculas que aparecen en el mecanismo de la reaccion pero no en la ecuacion inicial Molecularidad EditarLa molecularidad es un concepto bastante util para poder determinar como es el estado de transicion y cuanta energia se necesita para llegar a el Dado que las velocidades de reaccion en una primera aproximacion dependen unicamente del paso lento se define como el numero de moleculas involucradas en el estado de transicion de la reaccion elemental mas lenta Unimoleculares Solo participa una molecula Bimoleculares Participan 2 moleculas Trimoleculares Participan 3 moleculasLa molecularidad puede obtenerse experimentalmente como el orden de reaccion en la ley de velocidad En ocasiones existen ordenes de reaccion fraccionarios porque el reactivo adicionado no reacciona directamente sino lo hace un intermediario que esta en equilibrio con este o si existe mas de un reaccion elemental lenta en estos casos los ordenes de reaccion no pueden interpretarse como la molecularidad Teniendo en cuenta que las moleculas de una sustancia se encuentran en una distribucion de Boltzmann es muy improbable estadisticamente que choquen cuatro moleculas al mismo tiempo por eso no existen reacciones tetramoleculares Ejemplo de mecanismo EditarComo ejemplo consideramos la reaccion global entre el oxido nitrico y el oxigeno 2 NO g O 2 g 2 NO 2 g displaystyle ce 2 NO g O2 g gt 2 NO2 g Se sabe que los productos no se forman directamente como resultado de la colision de dos moleculas NO con una molecula de O2 porque se ha encontrado la especie N2O2 durante el curso de la reaccion Un mecanismo posible es suponer que la reaccion se lleva a cabo en dos etapas o reacciones elementales como las siguientes 2 NO g N 2 O 2 g displaystyle ce 2 NO g gt N2O2 g primera etapaN 2 O 2 g O 2 g 2 NO 2 g displaystyle ce N2O2 g O2 g gt 2 NO2 g segunda etapaEn la primera etapa dos moleculas de NO chocan para formar una molecula de N2O2 es una reaccion bimolecular Despues sigue una reaccion entre el N2O2 y el O2 para formar dos moleculas de NO2 es una reaccion bimolecular La ecuacion quimica global que representa el cambio total se puede interpretar como la suma de estas dos etapas Las especies como el N2O2 es el intermediario de la reaccion Reacciones organicas por su mecanismo EditarEn quimica organica cada reaccion tiene un mecanismo de reaccion por pasos que explica como sucede aunque no siempre es clara una descripcion detallada a partir solamente de una lista de reactantes Las reacciones organicas pueden ser organizadas en algunos tipos basicos Algunas reacciones encajan en mas de una categoria Por ejemplo algunas reacciones de sustitucion siguen una trayectoria de adicion eliminacion Esta apreciacion general no pretende incluir cada reaccion organica individual Por el contrario solamente pretende cubrir las reacciones basicas Tipo de reaccion Subtipo ComentarioReacciones de adicion adicion electrofilica incluye reacciones tales como la halogenacion hidrohalogenacion e hidratacion adicion nucleofilicaadicion radicalariaReaccion de eliminacion incluye procesos tales como la deshidratacion y se observa que siguen mecanismos de reaccion E1 E2 o E1cBReacciones de sustitucion sustitucion nucleofilica alifatica con mecanismos de reaccion SN1 SN2 y SNisustitucion nucleofilica aromaticasustitucion nucleofilica acilicasustitucion electrofilicasustitucion electrofilica aromaticasustitucion radicalariareacciones organicas redox son reacciones redox especificas de los compuestos organicos y son muy comunes Reacciones de transposicion Transposiciones 1 2Reacciones periciclicasmetatesisEn general el curso paso a paso de los mecanismos de reaccion puede ser representado usando formulas estructurales y estructuras moleculares en las que se usan flechas curvadas para seguir el movimiento de los electrones como materiales de transicion iniciales hasta los intermediarios y productos Mecanismo de reaccion de la hidrolisis de ATP Vease tambien Lista de reacciones organicas Datos Q373406 Multimedia Reaction mechanismsObtenido de https es wikipedia org w index php title Mecanismo de reaccion amp oldid 133668760, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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