Scheikunde
Hoofdstuk 11 - Reactiemechanismen
Indy Faassen, DV5a
§11.1 Reactiemechanismen
Valentie-elektronen en lewisstructuren
Bij een chemische reactie worden bindingen tussen atomen verbroken en andere nieuwe bindingen gevormd. Hierbij zijn valentie-elektronen
betrokken, die tijdens de chemische reactie van plaats veranderen.
- Bij het tekenen van reactiemechanismen wordt dus gebruikgemaakt van lewisstructuren.
Reactiemechanismen
Reactiemechanismen: beschrijft op microniveau in detail wat er gebeurt tijdens elke stap van een chemische reactie.
• Welke atoombindingen worden er verbroken?
• In welke volgorde gebeurt dat? De minst stabiele is de meest reactieve.
• Welke atoombindingen worden er gevormd?
• In welke volgorde gebeurt dat? De minst stabiele is de meest reactieve.
• Hoe zien de moleculen van de tussenproducten eruit?
Eact : activeringsenergie (de energie die nodig is om de reactie op gang te brengen.
Hoe hoger de activeringsenergie > hoe langzamer de reactie
Uit de lewisstructuur van tussenproducten is vaak op te malen hoe stabiel het tussenproduct is:
1. Een tussenproduct waarbij niet alle atomen aan de octetregel voldoen (8 elektronen in de
buitenste schil), is bijvoorbeeld instabiel.
2. De vorming van een instabiel deeltje kost meer energie dan een stabiel deeltje > verloopt trager.
3. De stap die in de totaalreactie het langzaamst verloopt is bepalend voor de totale
reactiesnelheid.
We behandelen reactiemechanismen waarbij atoombindingen in moleculen zijn betrokken, waardoor het de verplaatsingen van elektronen zijn die
bepalen welke bindingen worden verbroken en welke bindingen worden gevormd.
- Verplaatsingen van elektronen: worden weergegeven met kromme pijlen.
- Tussenproducten: zijn instabiele, reactieve deeltjes die snel verder reageren.
Polaire reacties
Polaire atoombinding: de atomen in een atoombinding verschillen in elektronegativiteit > elektronen zijn in de binding niet symmetrisch verdeeld > er
ontstaat een ladingsverschil.
- Bij het verbreken gaat het elektronenpaar naar één van de twee gebonden atomen.
- Er ontstaat een positieve lading op het ene atoom en een negatieve lading op het andere atoom.
- Positieve geladen atoom: kan binding aangaan met een vrij elektronenpaar van een ander atoom.
- Negatief geladen atoom: kan het vrije elektronenpaar inzetten voor een binding met een ander positief geladen atoom.
- Verplaatsing van elektronenparen: aangegeven met een gebogen pijl met hele pijlpunt.
- Richting pijl: geeft de richting van de elektronenverplaatsing tijdens de reactie aan en gaat altijd van het nucleofiele deeltje naar het elektrofiele
deeltje.
Nucleofiel en elektrofiel
Nucleofiel deeltje: deeltje met een elektronenoverschot > voelt zich aangetrokken tot de positieve ladingen in de atoomkern.
- Negatief geladen deeltje.
- Elektronenoverschot wordt veroorzaakt door een negatieve lading, partiële negatieve lading, niet-bindend elektronenpaar of een dubbele binding.
Elektrofiel deeltje: deeltje met een elektronentekort.
- Positief geladen deeltje.
Carbokation: deeltje met een positief geladen koolstofatoom (C-atoom).
Radicaalreacties
Radicaal: een ongeladen deeltje met één ongepaard elektron > een dergelijke reactie heet een radicale reactie.
- Ontstaat wanneer een niet-polaire atoombinding wordt verbroken, waardoor beide atomen van de verbroken verbinding één elektron meenemen.
- Verplaatsing van een elektron: aangegeven met een gebogen pijl met een halve pijlpunt.
, §11.2 Radicaalreacties
Radicalen zijn zeer reactieve deeltjes
Initiatie, propagatie en terminatie
Een radicaalreactie bestaat altijd uit drie fasen:
1) De initiatiefase: vorming van radicalen uit niet-radicalen.
2) De propagatiefase: radicaal + niet-radicaal => samen één groter radicaal (totaal aantal radicalen blijft gelijk) De reactie kan lang duren, omdat er
steeds weer een nieuw radicaal wordt ontstaat (het is een kettingreactie)
3) De terminatiefase: radicaal + radicaal => samen één niet-radicaal deeltje. De radicaalreactie stopt dan. Doordat radicalen reactief zijn, is de
concentratie radicalen altijd erg laag. De kans dat twee radicalen met elkaar reageren, is dus klein.
Substitutie van een halogeen aan een alkaan
Onder invloed van licht kunnen halogenen, zoals chloor, vaak spontaan radicalen vormen (initiatiefase). In de propagatiefase kan een chlooratoom
reageren met een methaanmolecuul. Een radicaalreactie stopt pas wanneer de radicalen met elkaar reageren tot een niet-radicaal (terminatiefase)
Stabiliteit van een radicaal
Deeltjes zijn het stabielst wanneer alle elektronen zijn gepaard.
Radicalen: deeltjes met een ongepaard elektron => reactieve deeltjes.
- Hoe sterker een atoombinding, hoe meer energie er nodig is om die binding in ongepaarde elektronen op te breken.
- Hoe meer zijketens een C-atoom heeft, hoe stabieler het radicaal is dat op dit atoom wordt gevormd (regel van Markovnikov)
- Het radicaal is stabieler wanneer het ongepaarde elektron zich bevindt op het C-atoom met de meeste zijketens.
Bindingsenergie: de energie die nodig is om een atoombinding open te breken (Binas tabel 58)
Additiepolymerisatie
Polymeren: o.a. plastic.
- lange moleculen
- “1 deeltje” dat herhaald wordt
- Monomeermoleculen: moleculen waaruit langere moleculen worden gemaakt (mono=één)
- Polymeer: lang verzadigde koolstofketen.
Substitutiereacties van halogenen aan alkanen zijn radicaalreacties die onder invloed van licht plaatsvinden.
Additiepolymerisatie is een radicaalreactie die met behulp van een initiator of door verhitten op gang wordt gebracht.
Het reactiemechanisme van de productie van polyetheen uit etheen verloopt in drie fasen:
1) Initiatiefase: Er worden radicalen RO* gevormd.
2) Propagatiefase: Een gevormd radicaal kan met etheen reageren. Hierbij ontstaat één atoombinding van de dubbele binding wordt opgedeeld in
twee aparte elektronen.
I. Één elektron vormt een bindend elektronenpaar met RO*.
II. Één elektron vormt een radicaal op het andere koolstofatoom.
3) Terminatiefase: vindt plaats als twee polymeren met radicale uiteinden aan elkaar hechten. Het treedt aan het eind van de reactie op, omdat de
hoeveelheid etheen dan vrijwel op is en de radicalen voornamelijk met elkaar reageren. Daardoor daalt de concentratie radicalen en eindigen de
reacties.
Hoofdstuk 11 - Reactiemechanismen
Indy Faassen, DV5a
§11.1 Reactiemechanismen
Valentie-elektronen en lewisstructuren
Bij een chemische reactie worden bindingen tussen atomen verbroken en andere nieuwe bindingen gevormd. Hierbij zijn valentie-elektronen
betrokken, die tijdens de chemische reactie van plaats veranderen.
- Bij het tekenen van reactiemechanismen wordt dus gebruikgemaakt van lewisstructuren.
Reactiemechanismen
Reactiemechanismen: beschrijft op microniveau in detail wat er gebeurt tijdens elke stap van een chemische reactie.
• Welke atoombindingen worden er verbroken?
• In welke volgorde gebeurt dat? De minst stabiele is de meest reactieve.
• Welke atoombindingen worden er gevormd?
• In welke volgorde gebeurt dat? De minst stabiele is de meest reactieve.
• Hoe zien de moleculen van de tussenproducten eruit?
Eact : activeringsenergie (de energie die nodig is om de reactie op gang te brengen.
Hoe hoger de activeringsenergie > hoe langzamer de reactie
Uit de lewisstructuur van tussenproducten is vaak op te malen hoe stabiel het tussenproduct is:
1. Een tussenproduct waarbij niet alle atomen aan de octetregel voldoen (8 elektronen in de
buitenste schil), is bijvoorbeeld instabiel.
2. De vorming van een instabiel deeltje kost meer energie dan een stabiel deeltje > verloopt trager.
3. De stap die in de totaalreactie het langzaamst verloopt is bepalend voor de totale
reactiesnelheid.
We behandelen reactiemechanismen waarbij atoombindingen in moleculen zijn betrokken, waardoor het de verplaatsingen van elektronen zijn die
bepalen welke bindingen worden verbroken en welke bindingen worden gevormd.
- Verplaatsingen van elektronen: worden weergegeven met kromme pijlen.
- Tussenproducten: zijn instabiele, reactieve deeltjes die snel verder reageren.
Polaire reacties
Polaire atoombinding: de atomen in een atoombinding verschillen in elektronegativiteit > elektronen zijn in de binding niet symmetrisch verdeeld > er
ontstaat een ladingsverschil.
- Bij het verbreken gaat het elektronenpaar naar één van de twee gebonden atomen.
- Er ontstaat een positieve lading op het ene atoom en een negatieve lading op het andere atoom.
- Positieve geladen atoom: kan binding aangaan met een vrij elektronenpaar van een ander atoom.
- Negatief geladen atoom: kan het vrije elektronenpaar inzetten voor een binding met een ander positief geladen atoom.
- Verplaatsing van elektronenparen: aangegeven met een gebogen pijl met hele pijlpunt.
- Richting pijl: geeft de richting van de elektronenverplaatsing tijdens de reactie aan en gaat altijd van het nucleofiele deeltje naar het elektrofiele
deeltje.
Nucleofiel en elektrofiel
Nucleofiel deeltje: deeltje met een elektronenoverschot > voelt zich aangetrokken tot de positieve ladingen in de atoomkern.
- Negatief geladen deeltje.
- Elektronenoverschot wordt veroorzaakt door een negatieve lading, partiële negatieve lading, niet-bindend elektronenpaar of een dubbele binding.
Elektrofiel deeltje: deeltje met een elektronentekort.
- Positief geladen deeltje.
Carbokation: deeltje met een positief geladen koolstofatoom (C-atoom).
Radicaalreacties
Radicaal: een ongeladen deeltje met één ongepaard elektron > een dergelijke reactie heet een radicale reactie.
- Ontstaat wanneer een niet-polaire atoombinding wordt verbroken, waardoor beide atomen van de verbroken verbinding één elektron meenemen.
- Verplaatsing van een elektron: aangegeven met een gebogen pijl met een halve pijlpunt.
, §11.2 Radicaalreacties
Radicalen zijn zeer reactieve deeltjes
Initiatie, propagatie en terminatie
Een radicaalreactie bestaat altijd uit drie fasen:
1) De initiatiefase: vorming van radicalen uit niet-radicalen.
2) De propagatiefase: radicaal + niet-radicaal => samen één groter radicaal (totaal aantal radicalen blijft gelijk) De reactie kan lang duren, omdat er
steeds weer een nieuw radicaal wordt ontstaat (het is een kettingreactie)
3) De terminatiefase: radicaal + radicaal => samen één niet-radicaal deeltje. De radicaalreactie stopt dan. Doordat radicalen reactief zijn, is de
concentratie radicalen altijd erg laag. De kans dat twee radicalen met elkaar reageren, is dus klein.
Substitutie van een halogeen aan een alkaan
Onder invloed van licht kunnen halogenen, zoals chloor, vaak spontaan radicalen vormen (initiatiefase). In de propagatiefase kan een chlooratoom
reageren met een methaanmolecuul. Een radicaalreactie stopt pas wanneer de radicalen met elkaar reageren tot een niet-radicaal (terminatiefase)
Stabiliteit van een radicaal
Deeltjes zijn het stabielst wanneer alle elektronen zijn gepaard.
Radicalen: deeltjes met een ongepaard elektron => reactieve deeltjes.
- Hoe sterker een atoombinding, hoe meer energie er nodig is om die binding in ongepaarde elektronen op te breken.
- Hoe meer zijketens een C-atoom heeft, hoe stabieler het radicaal is dat op dit atoom wordt gevormd (regel van Markovnikov)
- Het radicaal is stabieler wanneer het ongepaarde elektron zich bevindt op het C-atoom met de meeste zijketens.
Bindingsenergie: de energie die nodig is om een atoombinding open te breken (Binas tabel 58)
Additiepolymerisatie
Polymeren: o.a. plastic.
- lange moleculen
- “1 deeltje” dat herhaald wordt
- Monomeermoleculen: moleculen waaruit langere moleculen worden gemaakt (mono=één)
- Polymeer: lang verzadigde koolstofketen.
Substitutiereacties van halogenen aan alkanen zijn radicaalreacties die onder invloed van licht plaatsvinden.
Additiepolymerisatie is een radicaalreactie die met behulp van een initiator of door verhitten op gang wordt gebracht.
Het reactiemechanisme van de productie van polyetheen uit etheen verloopt in drie fasen:
1) Initiatiefase: Er worden radicalen RO* gevormd.
2) Propagatiefase: Een gevormd radicaal kan met etheen reageren. Hierbij ontstaat één atoombinding van de dubbele binding wordt opgedeeld in
twee aparte elektronen.
I. Één elektron vormt een bindend elektronenpaar met RO*.
II. Één elektron vormt een radicaal op het andere koolstofatoom.
3) Terminatiefase: vindt plaats als twee polymeren met radicale uiteinden aan elkaar hechten. Het treedt aan het eind van de reactie op, omdat de
hoeveelheid etheen dan vrijwel op is en de radicalen voornamelijk met elkaar reageren. Daardoor daalt de concentratie radicalen en eindigen de
reacties.
