Dipendenza dalla concentrazione

La misura della velocità con cui procede una reazione è chiamata velocità di reazione. Per una reazione a passo singolo, la velocità è uguale alla variazione di concentrazione di ciascun reagente o prodotto nel tempo moltiplicata per l'inverso del corrispondente coefficiente stechiometrico. Si può pensare alla variazione della concentrazione nel tempo come la concentrazione al tempo t meno la concentrazione iniziale divisa per t. Le velocità di reazione sono sempre positive, quindi le espressioni dei reagenti hanno segni negativi. Questi tassi potrebbero non essere uguali nelle reazioni a più fasi, ma possiamo comunque utilizzare questa relazione come stima della reazione complessiva.

La legge della velocità, o equazione della velocità, descrive la relazione tra la velocità della reazione e le concentrazioni dei reagenti. In questa equazione, k è la costante di velocità, A e B sono i due reagenti e m e n sono i rispettivi ordini di reazione. L'ordine di reazione descrive la relazione tra la concentrazione di un reagente e la velocità e non è correlato alla stechiometria. È fondamentale ricordare che l'ordine di reazione non è lo stesso del coefficiente del reagente nell'equazione bilanciata.

Quando una reazione coinvolge due o più reagenti, dobbiamo considerare l'ordine di reazione per ciascun reagente. L'ordine di reazione complessivo è uguale alla somma degli ordini di reazione dei reagenti. Ad esempio, se il reagente A è del primo ordine e il reagente B è di ordine zero, l'ordine di reazione complessivo è uno. Gli ordini di reazione più comuni nelle reazioni semplici sono l'ordine zero, il primo ordine e il secondo ordine. Esaminiamoli usando una reazione unimolecolare come esempio.

Se la reazione è di ordine zero, la concentrazione del reagente non ha alcun effetto sulla velocità di reazione. Quindi, la velocità di reazione è uguale a k, la costante di velocità. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione è una linea orizzontale.

Nelle relazioni del primo ordine, la concentrazione del reagente è linearmente correlata alla velocità di reazione. Pertanto, la velocità è uguale alla costante di velocità moltiplicata per la concentrazione del reagente. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione sarà lineare, con k come pendenza.

Se la reazione è del secondo ordine, esiste una relazione quadratica tra la concentrazione e la velocità. Pertanto, il tasso è uguale alla costante di tasso moltiplicata per la concentrazione al quadrato. Un grafico della velocità rispetto alla concentrazione sarà parabolico, con k come pendenza.

La costante di velocità, k, è un valore dipendente dalla temperatura che mette in relazione l'energia di attivazione della reazione con la velocità di reazione. Esplorerai questo aspetto nel prossimo esperimento di laboratorio.

Le velocità di reazione sono tipicamente espresse in moli per litro al secondo. La velocità ha le stesse unità, indipendentemente dall'ordine di reazione. Pertanto, la costante di velocità ha unità diverse, a seconda dell'ordine di reazione. Ad esempio, se A è il primo ordine e B è l'ordine zero, allora abbiamo un'istanza di moli per litro nell'equazione del tasso. Pertanto, la costante di velocità deve essere espressa in secondi inversi.

Quindi, come determiniamo l'ordine di reazione? L'ordine di reazione deve essere determinato sperimentalmente utilizzando una serie di test. Se si dispone di due reagenti, un metodo consiste nel mantenere costante la concentrazione di un reagente, variare l'altro e calcolare il tempo necessario per produrre una certa quantità di prodotto. Lo stesso processo viene ripetuto per il secondo reagente. È quindi possibile stimare l'ordine di ciascun reagente tracciando la velocità rispetto alla concentrazione variabile dei reagenti e verificando se assomiglia a un grafico a zero, al primo o al secondo ordine. Abbinando i tuoi dati all'equazione di velocità corrispondente potrai anche calcolare k.

In questo laboratorio, determinerai gli ordini di reazione di due reagenti variando le loro concentrazioni e cronometrando il tempo necessario alla reazione per progredire fino a rendere opaca la soluzione.