Dependência de Concentração

A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. Para uma reação de etapa única, a taxa é igual à mudança na concentração de cada reagente ou produto ao longo do tempo multiplicada pelo inverso do coeficiente estequiométrico correspondente. Você pode pensar na mudança na concentração ao longo do tempo como a concentração no tempo t menos a concentração inicial dividida por t. As taxas de reação são sempre positivas, então as expressões do reagente têm sinais negativos. Essas taxas podem não ser iguais em reações de várias etapas, mas ainda podemos usar essa relação como uma estimativa para a reação geral.

A lei de taxa, ou equação de taxa, descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação. A ordem da reação descreve a relação entre a concentração de um reagente e a taxa e não está relacionada à estequiometria. É vital lembrar que a ordem da reação não é a mesma que o coeficiente do reagente na equação balanceada.

Quando uma reação envolve dois ou mais reagentes, devemos considerar a ordem de reação para cada reagente. A ordem geral da reação é igual à soma das ordens de reação dos reagentes. Por exemplo, se o reagente A é de primeira ordem e o reagente B é de ordem zero, a ordem geral da reação é um. As ordens de reação mais comuns em reações simples são ordem zero, primeira ordem e segunda ordem. Vamos examiná-los usando uma reação unimolecular como exemplo.

Se a reação for de ordem zero, a concentração do reagente não terá efeito na taxa de reação. Assim, a taxa de reação é igual a k, a constante de taxa. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração é uma linha horizontal.

Nas relações de primeira ordem, a concentração do reagente está linearmente relacionada à taxa de reação. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração do reagente. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração será linear, com k como inclinação.

Se a reação for de segunda ordem, há uma relação quadrática entre a concentração e a taxa. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração ao quadrado. Um gráfico da taxa em relação à concentração será parabólico, com k como inclinação.

A constante de taxa, k, é um valor dependente da temperatura que relaciona a energia de ativação da reação com a taxa de reação. Você explorará isso no próximo experimento de laboratório.

As taxas de reação são normalmente dadas em moles por litro por segundo. A taxa tem as mesmas unidades, independentemente da ordem de reação. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem de reação. Por exemplo, se A é de primeira ordem e B é de ordem zero, então temos uma instância de moles por litro na equação de taxa. Portanto, a constante de taxa deve estar em segundos inversos.

Então, como determinamos a ordem de reação? A ordem de reação deve ser determinada experimentalmente por meio de uma série de testes. Se você tiver dois reagentes, um método é manter a concentração de um reagente constante, variar o outro e cronometrar quanto tempo leva para fazer uma certa quantidade de produto. O mesmo processo é repetido para o segundo reagente. Você pode então estimar a ordem de cada reagente plotando a taxa versus a concentração variável dos reagentes e vendo se ela se parece com um gráfico de zero, primeira ou segunda ordem. Combinar seus dados com a equação de taxa correspondente também permitirá que você calcule k.

Neste laboratório, você determinará as ordens de reação de dois reagentes variando suas concentrações e cronometrando quanto tempo leva para a reação progredir para tornar a solução opaca.