Dipendenza dalla concentrazione

Cinetica chimica e legge della velocità di reazione

La cinetica chimica si riferisce alla velocità o alla velocità di una reazione chimica. La velocità dipende dal meccanismo, dalla complessità e dal numero di reagenti nella reazione. Anche la concentrazione dei reagenti gioca un ruolo significativo nella velocità di una reazione.

La legge tariffaria quantifica questa relazione attraverso la sperimentazione. Ogni reagente contribuisce alla velocità della reazione con un fattore noto come ordine di reazione. Questo fattore può variare da zero a due e dipende dalla relazione di quel reagente con la velocità della reazione.

r = k[A]^m[B]ⁿ per aA + bB + ... → cC

In questa equazione, r è la velocità di reazione, k è la costante di velocità di reazione, [A] e [B] sono le concentrazioni dei reagenti A e B, e m e n sono gli ordini di reazione dei reagenti A e B, rispettivamente. La velocità di reazione, r, è definita come la variazione della concentrazione del prodotto nel tempo e ha unità di moli per litro al secondo.

Ordine di reazione

L'ordine della reazione descrive la dipendenza di potenza che la concentrazione di reagenti ha sulla velocità di reazione. L'ordine di reazione complessivo è la somma degli ordini di reazione per ciascuno dei reagenti. È importante ricordare che l'ordine di reazione NON è correlato ai fattori stechiometrici dell'equazione chimica bilanciata. In altre parole, la stechiometria non può essere utilizzata per determinare gli ordini di reazione per una reazione chimica. Gli ordini di reazione devono essere determinati sperimentalmente

Per determinare l'ordine di reazione, la concentrazione del secondo reagente viene mantenuta costante, mentre la concentrazione del primo reagente viene variata. Il tempo necessario affinché si verifichi la reazione è misurato in secondi; Tuttavia, questo tempo non corrisponde al tempo necessario alla reazione per andare a compimento. Invece, questo è il tempo necessario per l'inizio della reazione. I tempi di reazione per le diverse concentrazioni di reagenti vengono quindi confrontati per determinare l'ordine. La stessa serie di reazioni viene eseguita per determinare l'ordine del secondo reagente, dove la concentrazione del primo reagente viene mantenuta costante e la concentrazione del secondo reagente viene variata.

Confrontando i tempi di reazione, è possibile determinare l'ordine di reazione. Ad esempio, se il tempo di reazione rimane costante nonostante le variazioni della concentrazione del reagente, allora il reagente è di ordine zero. Ciò significa che la velocità di reazione è uguale al coefficiente di velocità di reazione, k, che deve avere unità di M/s. Se il tempo di reazione cambia linearmente con le variazioni della concentrazione (cioè, il raddoppio della concentrazione influisce sul tempo di reazione di un fattore 2), allora il reagente è del primo ordine. Ciò significa che la velocità di reazione è uguale al prodotto del coefficiente della velocità di reazione e della concentrazione del reagente. In questo caso, k ha unità di 1/s. Infine, se il tempo di reazione è influenzato da un fattore 4 quando la concentrazione di un reagente è raddoppiata, il reagente è del secondo ordine. Ciò significa che la velocità della reazione è uguale alla costante di velocità moltiplicata per il quadrato della concentrazione del reagente, formando una relazione quadratica. In questo caso, le unità di k devono essere 1/M⋅s.

L'ordine complessivo della reazione è la somma dei singoli ordini di reazione. Ad esempio, se la reazione è del primo ordine rispetto ad A, allora m = 1. E se la reazione è di ordine zero rispetto a B, allora n = 0. L'ordine generale della reazione è del primo ordine perché m + n = 1.

Costante di velocità di reazione

La costante di velocità, k, è specifica per la reazione e la temperatura in cui viene eseguita la reazione. La costante di velocità è determinata dalla serie di esperimenti. Utilizzando la velocità misurata e le concentrazioni iniziali dei reagenti, l'equazione della velocità viene utilizzata per risolvere la costante di velocità. La costante di velocità dipende dalla temperatura ed è definita dall'equazione di Arrhenius. Questa equazione descrive la relazione tra k e l'energia di attivazione, E_a, la temperatura, T, e la costante di gas ideale, R. La costante A è una costante di proporzionalità e non deve essere confusa con il reagente A.

referenze

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimica e reattività chimica. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chimica: la natura molecolare della materia e il cambiamento. Boston, MA: McGraw Hill.