Dipendenza della temperatura dalla velocità di reazione

Le velocità di un reazione chimica sono sensibili ai cambiamenti di temperatura. Un aumento di 10°C può accelerare la velocità di reazione da 3 a 4 volte, ma perché? La legge sulla velocità di una reazione definisce la relazione fra una concentrazione di reagente e la velocità di reazione.

Poiché la concentrazione è indipendente dalla temperatura, rimane solo la costante di velocità ad influenzare la velocità di reazione, a seconda della temperatura. Pertanto, nel 1889 il chimico svedese Svante Arrhenius concluse che la dipendenza dalla temperatura di una velocità di reazione era compresa nella costante di velocità. La costante di velocità descrive la relazione fra temperatura e parametri cinetici relativi all'urto, all'orientamento e all'energia di attivazione delle molecole che reagiscono tramite l'equazione di Arrhenius.

A è una costante chiamata fattore di Arrhenius o fattore di frequenza, e, è un fattore esponenziale che integra l'energia di attivazione, misurata in joule per mole, la costante del gas e la temperatura in kelvin. La dipendenza dei parametri dalla temperatura può essere spiegata con il modello di collisione:tale modello sostiene che le molecole reagenti, dovrebbero entrare in collisione, con un'energia sufficiente e nell'orientamento corretto per dare il via ad una reazione chimica. Il fattore di frequenza è costituito da due componenti la frequenza di collisione e il fattore di orientamento.

La frequenza di collisione è il numero di collisioni molecolari per unità di tempo, mentre il fattore di orientamento descrive la probabilità di collisioni con un orientamento favorevole. Tuttavia, solo una piccola frazione di collisioni porta ad una reazione, questo perché le molecole reagenti, devono superare una barriera energetica, detta energia di attivazione, per trasformarsi in prodotti. Solo quelle molecole che collidono con sufficiente energia cinetica avranno abbastanza energia potenziale per piegare, allungare o rompere i legami, trasformandosi in un intermedio ad alta energia, detto stato di transizione, o complesso attivato.

Il complesso attivato instabile e di breve durata perde energia per formare prodotti stabili, la cui energia totale è inferiore a quella dei reagenti. Il fattore esponenziale nell'equazione di Arrhenius rappresenta la frazione di collisioni riuscite, risultanti in prodotti. Un aumento della temperatura influenza sia il fattore di frequenza che quello esponenziale.

A temperature elevate, le molecole si muovono più rapidamente, con più forza e con energie termiche più elevate, portando a collisioni più favorevoli. Pertanto un aumento della temperatura si traduce in una frequenza più elevata, e in fattori esponenziali che portano ad un aumento della velocità costante, traducendosi conseguentemente in una velocità di reazione accelerata.