Definicja pojęcia:

reakcja łańcuchowa

Reakcja łańcuchowa – rodzaj reakcji chemicznej lub jądrowej, która przebiega jako zespół następujących po sobie i powtarzających się wiele razy przemian.

Reakcja łańcuchowa polega na tym, że produkt przemiany poprzedniej stanowi substrat jednej lub kilku kolejnych przemian. Pośredni produkt zapewniający propagację (postęp) reakcji łańcuchowej pełni rolę nośnika łańcucha. Takim nośnikiem najczęściej są wolne rodniki, ciepło, światło oraz reaktywne produkty pośrednie. Powodują one inicjację kolejnych reakcji bez udziału czynnika inicjującego dostarczanego z zewnątrz.

Łańcuchowy przebieg reakcji zachodzi w wielu reakcjach spalania, rozkładu, syntezy, krakingu, reakcje polimerazy, wybuchowe oraz fotochemiczne.

Reakcja łańcuchowa dzieli się na etapy:
  • Inicjacja – wytworzenie nośnika łańcucha. Zazwyczaj wskutek reakcji fotolizy lub termolizy. Proces prowadzący do powstania pierwotnego centrum reaktywności – miejsca w którym rozpoczyna się cały proces.
  • Propagacja – atak wytworzonych nośników na inne cząsteczki z powstaniem kolejnego nośnika. Jest to seria stale powtarzających się, identycznych reakcji, które prowadzą do powstawania kolejnych centrów reaktywności.
  • Rozgałęzianie łańcucha – powstanie większej liczby nośników łańcucha np. w reakcjach wybuchowych
  • Hamowanie (spowalnianie) – proces analogiczny do propagacji jednak prowadzący do zaniku produktów
  • Terminacja (zakończenie) – procesy prowadzące do zniknięcia nośników reakcji więc zaniku centrów reaktywności. Często zachodzi z udziałem substancji trzecich odbierających energię.
  • Inhibicja – proces analogiczny do terminacji z tą różnicą, że zachodzi z udziałem inhibitorów.
Reakcje spalania należą do reakcji łańcuchowych SirVir at Polish Wikipedia [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
Do zajście reakcji łańcuchowej są niezbędne dwa warunki – inicjacja oraz propagacja. Jeśli inicjacja zachodzi szybciej niż propagacja lub w podobnej szybkości, to powstaje dużo centrów aktywnych, które wykorzystują zapas dostępnego substratu co skutkuje szybkim wygasaniem reakcji. Taki proces nie ma charakteru łańcuchowego tylko jest to reakcja błyskawiczna (często mylona z łańcuchową).

W przypadku gdy inicjacja zachodzi wolniej niż terminacja to reakcja również nie ma charakteru łańcuchowego ponieważ centra reaktywne znikają szybciej niż powstają nowe. Jeśli terminacja jest jeszcze szybsza to nie zachodzą reakcje dające się zaobserwować.

Szybkość poszczególnych etapów reakcji jest uzależniona od różnych czynników takich jak temperatura, ciśnienie i objętość, które tworzą warunki termodynamiczne. Natomiast najważniejszym czynnikiem jest mechanizm molekularny lub jądrowy (w przypadku reakcji jądrowych). Razem czynniki te tworzą warunki kinetyczne reakcji.

Występują takie reakcje w których nie zachodzi proces terminacji. Wtedy kolejne procesy zachodzą do momentu całkowitego wyczerpania substratu, ale nie zanikają centra aktywne. Dzięki temu nie jest potrzebna ponowna inicjacja procesu, tylko wystarczy dodać kolejną porcję substratu. Taki układ nazywany jest tzw. procesem „żyjącym”.
Reakcja łańcuchowa rozszczepienia uranu 235 zainicjowana przez pojedynczy neutron Original: Stefan-XpVector:Master UeglyKernspaltung.svg:Kernspaltung.png: User:Stefan-XpDerivative works of this file: Wondigoma [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons
Przykłady reakcji łańcuchowych:
  • Reakcje wybuchowe – wywołane przyspieszeniem reakcji pod wpływem wysokiej temperatury wybuchy termiczne oraz wybuchy z rozgałęzieniem łańcucha w których powstaje więcej nośników niż początkowo było substratów.
  • Wybuchy jądrowe – reakcje łańcuchowego rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich np. uranu czy plutonu.
  • Reakcje polimeryzacji – polimeryzacja polega na reagowaniu ze sobą monomerów (związków o małej masie cząsteczkowej) lub mieszaniny monomerów do czasu wyczerpania grup funkcyjnych. W jej wyniku powstają polimery. Polimeryzacja łańcuchowa różni się od stopniowej brakiem zależności pomiędzy stopniem polimeryzacji a stopniem w jakim zdążyły przereagować grupy funkcyjne.

  • Reakcje fotochemiczne – zainicjowane absorpcją kwantów promieniowania wraz z powstaniem jonów, rodników lub jonorodników. Reakcje te zachodzą często w atmosferze ziemskiej.
  • Kataliza – polega na przyspieszeniu reakcji przez substancje które nazywamy katalizatorami. Katalizator bierze udział w reakcji, zmienia jej mechanizm ale sam zostaje w takiej samej postaci. Kataliza może być homogeniczna (jeśli katalizator jest w tej samej fazie co reagenty) lub heterogeniczna (gdy katalizator znajduje się w innej fazie np. katalizator w fazie stałej a reagenty w ciekłej bądź gazowej).
  • Autokataliza – zjawisko w którym produkt bądź produkty reakcji są jednocześnie jej katalizatorem.
  • Reakcje oscylacyjne – opisują ważne procesy biochemiczne np. mechanizm bicia serca. Aby reakcja oscylacyjna zaszła muszą być spełnione trzy warunki. Układ musi wykazywać biostabilność, reakcja musi znajdować się daleko od stanu równowagi oraz w reakcji muszą się pojawić etapy autokatalityczne.
Uran - pierwiastek ulegający rozszczepieniu atomu. http://web.em.doe.gov/takstock/phochp3a.html [Public domain], via Wikimedia Commons
Niektóre rodzaje detonacji – detonacja polega na wybuchu który rozchodzi się w materiale wybuchowym z prędkością ponaddźwiękową i powoduje powstanie fali uderzeniowej. Większość detonacji to procesy błyskawiczne ale są też takie które zachodzą łańcuchowo.

Niektóre rodzaje spalania – spalanie to reakcje egzotermiczne pomiędzy paliwem lub materiałem palnym a utleniaczem. Podczas spalania wydzielane jest światło i ciepło. Tak jak w przypadku detonacji, większość reakcji spalania to reakcje błyskawiczne ale też występują łańcuchowe.

PCR – reakcja łańcuchowa polimerazy

PCR jest to metoda powielania łańcuchów DNA w warunkach laboratoryjnych która polega na wykorzystaniu reakcji łańcuchowej polimerazy DNA pod wpływem powtarzanego ogrzewania i oziębiania próbki. Metoda ta jest stosowana przy badaniu genomu, opisie ekspresji genów oraz ich klonowaniu a także w paleontologii, kryminalistyce czy diagnostyce klinicznej. W skład mieszaniny reakcyjnej wchodzi matrycowe DNA (fragment który ma być powielany), mieszanina nukleotydów, startery oraz polimeraza DNA która jest termo stabilna. Inicjacja reakcji zachodzi poprzez zmianę temperatury mieszaniny.

Proces polega na powtarzających się wielokrotnie cyklach składających się z trzech etapów:
  • denaturacja – zachodzi w wysokiej temperaturze i polega na rozpleceniu podwójnego łańcucha DNA lub mRNA,
  • annealing – zachodzi w niższej temperaturze i polega na hybrydyzacji (przyłączeniu) starterów do cząsteczki matrycowej,
  • elongacja – zachodzi w podwyższonej temperaturze i polega na właściwej syntezie cząsteczki DNA (lub mRNA) i amplifikacji (dużego namnożenia ilości) pożądanego w reakcji genu.
Wybuch bobmy atomowej jest przekładem reakcji łańcuchowej. Źródło Pixabay.com

Bibliografia

  1. Phil C. Turner, Alexander G. McLennan, Andy D. Bates, Mike R.H. White; “Biologia molekularna – krótkie wykłady”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011;
  2. Peter Atkins, Julio de Paula; “Chemia fizyczna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015;
  3. Jadwiga Demichowicz-Pigoniowa, Andrzej Olszowski, ; “Chemia fizyczna, tom 3. Obliczenia fizykochemiczne”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010;
  4. Loretta Jones, Peter Atkins, ; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009;
  5. Adam Bielański; “Podstawy chemii nieorganicznej – część 2”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.6
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy