Dependência de Concentração

Cinética Química e a Lei da Taxa de Reação

A cinética química refere-se à taxa ou velocidade de uma reação química. A taxa depende do mecanismo, complexidade e número de reagentes na reação. A concentração do reagente também desempenha um papel significativo na taxa de uma reação.

A lei de taxa quantifica essa relação por meio da experimentação. Cada reagente contribui para a velocidade da reação por um fator conhecido como ordem de reação. Esse fator pode variar de zero a dois e depende da relação desse reagente com a taxa da reação.

r = k[A]^m[B]ⁿ for aA + bB + ... → cC

Nesta equação, r é a taxa de reação, k é a constante de taxa de reação, [A] e [B] são as concentrações dos reagentes A e B, e m e n são as ordens de reação dos reagentes A e B, respectivamente. A taxa de reação, r, é definida como a mudança na concentração do produto com o tempo e tem unidades de moles por litro por segundo.

Ordem de uma reação

A ordem da reação descreve a dependência de potência que a concentração de reagentes tem sobre a taxa de reação. A ordem geral da reação é a soma das ordens de reação para cada um dos reagentes. É importante lembrar que a ordem da reação NÃO está relacionada aos fatores estequiométricos da equação química balanceada. Em outras palavras, a estequiometria não pode ser usada para determinar as ordens de reação de uma reação química. As ordens de reação devem ser determinadas experimentalmente

Para determinar a ordem de reação, a concentração do segundo reagente é mantida constante, enquanto a concentração do primeiro reagente é variada. O tempo que leva para a reação ocorrer é medido em segundos; No entanto, esse tempo não corresponde ao tempo que a reação leva para ser concluída. Em vez disso, este é o tempo que leva para a reação começar. Os tempos de reação para as diferentes concentrações de reagentes são então comparados para determinar a ordem. A mesma série de reações é realizada para determinar a ordem do segundo reagente, onde a concentração do primeiro reagente é mantida constante e a concentração do segundo reagente é variada.

Ao comparar os tempos de reação, a ordem de reação pode ser determinada. Por exemplo, se o tempo de reação permanece constante apesar das mudanças na concentração do reagente, então o reagente é de ordem zero. Isso significa que a taxa da reação é igual ao coeficiente de taxa de reação, k, que deve ter unidades de M / s. Se o tempo de reação muda linearmente com as mudanças na concentração (ou seja, dobrar a concentração afeta o tempo de reação por um fator de 2), então o reagente é de primeira ordem. Isso significa que a taxa da reação é igual ao produto do coeficiente de taxa de reação e à concentração do reagente. Nesse caso, k tem unidades de 1/s. Finalmente, se o tempo de reação é afetado por um fator de 4 quando a concentração de um reagente é dobrada, o reagente é de segunda ordem. Isso significa que a taxa da reação é igual à constante de taxa vezes o quadrado da concentração do reagente, formando uma relação quadrática. Neste caso, as unidades de k devem ser 1/M⋅s.

A ordem geral da reação é a soma das ordens de reação individuais. Por exemplo, se a reação for de primeira ordem em relação a A, então m = 1. E se a reação for de ordem zero em relação a B, então n = 0. A ordem geral da reação é de primeira ordem porque m + n = 1.

Constante de taxa de reação

A constante de taxa, k, é específica para a reação e a temperatura em que a reação é realizada. A constante de taxa é determinada a partir da série de experimentos. Usando a taxa medida e as concentrações iniciais do reagente, a equação da taxa é usada para resolver a constante de taxa. A constante de taxa depende da temperatura e é definida pela equação de Arrhenius. Esta equação descreve a relação entre k e a energia de ativação, E_a, a temperatura, T, e a constante do gás ideal, R. A constante A é uma constante de proporcionalidade e não deve ser confundida com o reagente A.

Referências

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química e Reatividade Química. Belmont, CA: Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Química: A Natureza Molecular da Matéria e da Mudança. Boston, MA: Colina McGraw.