Mecanismo de reacción

Una vez establecido experimentalmente el orden de reacción y obtenida la ley integrada de velocidad, es posible proseguir la investigación para encontrar cuáles son las etapas o los procesos elementales por los que transcurre una reacción. El conjunto de todos los procesos elementales o etapas constituye el mecanismo de reacción.

Mecanismo de reacción es el proceso detallado por medio del cual los reaccionantes se transforman en productos.

El análisis del problema del mecanismo en una reacción química comienza con la división de la reacción en una secuencia de reacciones elementales. Una reacción elemental es la que se produce en una sola etapa.

Así, las evidencias experimentales parecen demostrar que la reacción:

puede ser una reacción en una sola etapa en la que intervienen tres moléculas, y que su ecuación de velocidad es:

La afinidad de una reacción química es una medida del grado de espontaneidad de la reacción y viene medida por ΔG y es independiente del camino seguido para la transformación. La reactividad viene medida por la velocidad de reacción y sí depende de los mecanismos y de los obstáculos que se han de superar durante la reacción. Debido a esto, reacciones de muy alta afinidad poseen, a veces, una reacción muy pequeña, como es el caso de la reacción del hidrógeno y el oxígeno para formar agua a temperatura ambiente.

Una reacción elemental que envuelve tres moléculas, como la anterior, es una reacción trimolecular (en realidad, no son frecuentes las reacciones trimoleculares). Una reacción bimolecular es una reacción elemental que incluye dos moléculas; y una reacción unimolecular es aquella en la que sólo interviene una molécula.

La molecularidad de una reacción en una sola etapa es el número de moléculas individuales que interactúan en la reacción.

Sólo las reacciones elementales se pueden caracterizar por su molecularidad; los adjetivos «unimolecular» y «bimolecular» no tienen significado en reacciones complejas, las cuales suponen una secuencia de muchas etapas elementales. Una reacción química que transcurre en varias etapas es, por ejemplo:

que se cree que tiene lugar según el mecanismo siguiente:

La suma de las ecuaciones correspondientes a los distintos pasos sucesivos separados debe coincidir con la ecuación global de la reacción.

Los mecanismos de reacción son hipótesis teóricas propuestas, cuyo objetivo es explicar el cómo y el porqué de los cambios químicos. Estas consideraciones están sujetas a cambios o modificaciones de acuerdo con los nuevos hechos que se sucedan.

La suma de las ecuaciones correspondientes a los distintos pasos sucesivos separados debe coincidir con la ecuación global de la reacción.

Los distintos pasos de una reacción que transcurre en varias etapas no se producen a la misma velocidad y, normalmente, un paso se produce más lentamente que los restantes. La velocidad global de una reacción nunca puede ser mayor que la velocidad de la reacción del paso más lento. Así, el paso que controla o determina la velocidad es el paso más lento. En nuestro ejemplo, la velocidad es:

que es también la ley de velocidad para la reacción global.

Es importante señalar que el que un mecanismo particular coincida con la expresión de la velocidad observada, no prueba que sea correcto. Puede haber algún otro mecanismo que conduzca a la ecuación de la velocidad. Un ejemplo clásico es la reacción:

con una ley de velocidad determinada experimentalmente:

que se ha citado durante muchos años como ejemplo de una sencilla reacción bimolecular. Las evidencias experimentales sugieren que se trata de un mecanismo más complejo en dos pasos: