Ahelreaktsioon (keemia)

Keemiline ahelreaktsioon on protsess, mille elementaarreaktsioonide käigus tekivad ja pidevalt regenereeritakse väga aktiivsed osakesed (enamasti vabad radikaalid või ioonid).

Ahelreaktsioonis korduvad mehhanismi üksiketapid, kuna reaktiivne vaheühend, mis ühes etapis ära tarbitakse, regenereeritakse järgmises etapis. Need aktiivsed osakesed ehk intermediaadid on väga suure reaktsioonivõimega, see tähendab väga lühikese elueaga. Ahelreaktsiooni hoiab käigus reaktiivseid intermediaate taastootvate elementaarreaktsioonide ahel, see tähendab ahela levik, kusjuures ahela lõpetamine on väga väikese osatähtsusega. Ahelreaktsioon on iseennast käigus hoidev reaktsioonide ahel: aktiivse osakese teke reaktsiooni keskkonnas kutsub esile suure hulga aine molekulide reaktsiooni.

Ahelreaktsioonides esinevad järgmised staadiumid:

• reaktsiooni initsieerimine ehk ahela teke (initiation), milles moodustub ebastabiilne väga suure aktiivsusega osake (aktiivne intermediaat): radikaal, karbokatioon, karbanioon või aktiivne kompleks. Ahelreaktsiooni alustamiseks kasutatakse katalüsaatoreid, ka valguse ja soojuse toimet;
• ahela levik (propagation), see on elementaarreaktsioonide jada, mille tulemuseks on ikka ja jälle uute aktiivsete osakeste teke; siin on kolm peamist võimalust olenevalt lähteaine keemilisest olemusest:
  • ahela kasv (chain growth), aktiivse intermediaadi liitumine näiteks kaksiksidemega, mille tulemuseks on suurema molekulmassiga aktiivne intermediaat, s.t sama ahela kasv; see saab esineda polümerisatsioonivõimeliste küllastumata monomeeride korral;
  • ahela ülekanne (chain transfer), aktiivse intermediaadi atakk üksiksidemele, selle katkemine (aatomi ülekanne) ja uue aktiivse osakese teke, see on uue ahela teke;
  • ahela hargnemine (chain branching) on spetsiifiline juhtum; siin ühe vaba radikaali reaktsioonis tekib rohkem kui üks, näiteks kolm, uut vaba radikaali – need on plahvatuslikud protsessid;
• ahela lõpetamine (termination), see on protsess, milles aktiivne intermediaat kaotab oma aktiivsuse, näiteks disproportsioneerumine ja ioonide või vabade radikaalide rekombinatsioon. Ahelprotsessi toimumiseks ei saa ahela lõpetamise osatähtsus olla märkimisväärne.

Näiteid

Etüleeni radikaalreaktsioon klooriga. Reaktsioonid ülalt alla: 1. vabade radikaalide teke, 2. reaktsiooni ahela initsieerimine, 3. reaktsiooniahela ülekanne, 4. ja 5. ahela lõpetamine

Keemias on tuntumad ahelreaktsioonid põlemine, keemiline plahvatus, polümerisatsioon, halogeenimine UV toimel, krakkimine jt.

1. Alkaanide kloorimine gaasilise klooriga, milles üha korduvad ahela ülekande aktid ja uue vaba radikaali teke:

Cl₂ → Cl^• + Cl^• (aktiivse radikaali teke)

CH₄ + Cl^• → CH₃^• + HCl (reaktsiooni initsieerimine)

CH₃^• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl^• (ahela ülekanne)

2. Ahelpolümerisatsioon (siin tärn märgib aktiivset osakest, vaba radikaali või karbokatiooni):

A* + M → AM* (ahela initsieerimine)

AM* + M → AM₂* → ... → AM_n* (ahela kasv)

Selles protsessis on oluline, et reaktsiooni initsieerimise järgselt toimuksid üksteisele järgnevalt ahela kasvu aktid. Selle eelduseks on puhas kergesti polümeriseeruv monomeer ja mittereaktsioonivõimeline lahusti, et välistada ahela ülekande ja lõpetamise akte.

3. Analoogne eelnevale on telomerisatsioonireaktsioon, kuid siin on peale monomeeri lisatud teine komponent (AB), mis osaleb ahela ülekande reaktsioonis, kuna eesmärgiks on saada madala polümerisatsiooniastmega liitumisproduktid (n = 1, 2 ...). Selle eelduseks on, et see teine komponent oleks piisavalt reaktsioonivõimeline astumaks ahela ülekande reaktsiooni:

AM_n* + A-B → AM_nB + A* (ahela ülekanne, see konkureerib ahela kasvuga)

Vaata ka

• ahelpolümerisatsioon
• ahelreaktsioon
• autokatalüüs
• radikaalreaktsioon