Dipendenza dalla temperatura

Cinetica chimica

La velocità di reazione è la velocità con cui si verifica una reazione chimica. La velocità di reazione è definita come la variazione della concentrazione di un componente nella reazione con il tempo. La velocità di una reazione dipende da diversi fattori, tra cui la concentrazione dei reagenti e la temperatura alla quale viene eseguita la reazione. Ogni reagente contribuisce alla velocità della reazione con un fattore specifico. Questa relazione è definita dalla legge della velocità di reazione.

Legge tariffaria

La legge della velocità è un'equazione che descrive la relazione tra la concentrazione dei reagenti, A e B, e i loro ordini di reazione, m e n. La costante di velocità, k, mette in relazione le concentrazioni e gli ordini dei reagenti con la velocità di reazione. Dipende dalla reazione come dalla temperatura alla quale viene eseguita la reazione.

r = k [A]^m[B]ⁿ per aA + bB → cC

Equazione di Arrhenius

L'equazione di Arrhenius mette in relazione la costante di velocità di reazione con l'energia di attivazione di una reazione chimica. L'energia di attivazione è definita come la quantità di energia di cui una reazione chimica ha bisogno per procedere. Se una reazione non soddisfa questo requisito di energia di attivazione, la reazione non procederà.

La relazione esponenziale negativa tra k e la temperatura indica che all'aumentare della temperatura, aumenta anche il valore di k. Poiché la costante di velocità può essere determinata sperimentalmente in un intervallo di temperature, l'energia di attivazione può essere calcolata utilizzando l'equazione di Arrhenius. Prendendo il logaritmo naturale di entrambi i lati, l'equazione di Arrhenius viene riscritta come un'equazione lineare.

Un grafico di ln k vs. 1/T produce una retta con una pendenza pari a -E_a/R e un'intercetta y di ln A. Poiché la costante dei gas ideali, R, è nota, E_a può essere determinata graficamente utilizzando una serie di valori k a diverse temperature.

Catalizzatori ed energia di attivazione

Alcune reazioni chimiche hanno un'energia di attivazione sufficientemente grande che fa sì che la reazione proceda lentamente, se non del tutto. La reazione di decomposizione del perossido di idrogeno in ossigeno e acqua avviene spontaneamente, ma avviene a una velocità incredibilmente lenta. Un modo per superare questa barriera iniziale è fornire energia sotto forma di calore. Tuttavia, questo non è sempre l'ideale, poiché il calore eccessivo può influire sulla stabilità dei prodotti o dei reagenti o può facilitare le reazioni collaterali.

L'energia di attivazione per le reazioni chimiche può essere modificata utilizzando catalizzatori. Un catalizzatore riduce l'energia di attivazione di una reazione chimica, ma non viene consumata dalla reazione. In altre parole, un catalizzatore facilita la reazione chimica facilitando il superamento del requisito critico di energia di attivazione. Nella decomposizione del perossido di idrogeno, l'aggiunta di nitrato di ferro riduce l'energia di attivazione e consente alla reazione di procedere a una velocità maggiore. Tuttavia, è importante notare che mentre un catalizzatore può influenzare la velocità di una reazione, un catalizzatore NON modifica la quantità di prodotto prodotta dalla reazione.

referenze

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

La misura della velocità con cui procede una reazione è chiamata velocità di reazione. La velocità di una reazione chimica è definita dalla legge della velocità, che 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.

La costante di velocità converte la relazione nelle unità di velocità corrette, moli per litro al secondo. Pertanto, la costante di velocità ha unità diverse, a seconda dell'ordine generale della reazione. Tuttavia, la costante di velocità ha più significato della semplice conversione di unità. La costante di velocità è correlata alla quantità minima di energia richiesta affinché avvenga una reazione chimica, chiamata energia di attivazione.

In una reazione, i reagenti si trovano in uno stato iniziale di energia potenziale. Man mano che la reazione procede, deve superare una certa energia potenziale, l'energia di attivazione, prima di raggiungere il suo stato finale. L'energia netta della reazione è la differenza tra lo stato iniziale e quello finale. Questa differenza può essere negativa, il che significa che la reazione rilascia energia, o positiva, il che significa che assorbe energia.

Se non c'è abbastanza energia disponibile per superare l'energia di attivazione, la reazione non procederà. In alcuni casi, l'energia può essere fornita sotto forma di calore. Ciò fornisce energia aggiuntiva per superare la barriera all'attivazione e la reazione può procedere. Può anche essere aggiunto un catalizzatore, che fornisce un percorso alternativo di energia di attivazione inferiore tra i reagenti e i prodotti.

I catalizzatori non vengono consumati nella reazione e, quindi, non influenzano l'energia netta della reazione. L'energia di attivazione è determinata sperimentalmente ed è correlata alla costante di reazione k dall'equazione di Arrhenius dove A è il fattore pre-esponenziale o di frequenza, R è la costante universale dei gas e T è la temperatura assoluta alla quale avviene la reazione.

Da questa equazione, sappiamo che aumentando la temperatura di reazione o diminuendo l'energia di attivazione aumenta la costante di velocità. Tornando all'equazione della legge della velocità, ne consegue che una costante di velocità più alta si traduce in una velocità di reazione più elevata. Questo ha senso perché all'aumentare della temperatura, le molecole si muovono più velocemente e si scontrano più frequentemente, con conseguente aumento della frazione di molecole con energia superiore all'energia di attivazione.

In questo laboratorio imparerai come misurare sperimentalmente l'energia di attivazione di una reazione utilizzando la decomposizione del perossido di idrogeno come reazione modello.