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13.1:

Velocità di reazione

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Chemistry
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Reaction Rate

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Una reazione chimica comporta la trasformazione chimica dei reagenti in prodotti. Man mano che la reazione progredisce, la concentrazione dei reagenti diminuisce mentre la concentrazione dei prodotti aumenta. Questa variazione nelle concentrazioni di reagenti e prodotti può essere tracciata in un grafico in funzione del tempo.La velocità con cui progredisce una reazione è detta velocità di reazione. Tale valore misura la velocità di scomparsa dei reagenti, o la velocità di comparsa dei prodotti, ed è espressa in unità di molarità al secondo. La velocità di reazione media può essere calcolata dalla variazione delle concentrazioni di reagenti o prodotti durante un periodo di tempo specifico.Il valore della concentrazione molare è indicato tra parentesi, t rappresenta il periodo di tempo e il simbolo delta rappresenta cambiamento in. Poiché i reagenti si esauriscono durante una reazione chimica, il valore della variazione di concentrazione dei reagenti è sempre negativo. Pertanto, una velocità di reazione calcolata in termini di reagenti è supportata da un segno negativo, per rendere positivo il valore complessivo.La velocità di reazione non è uniforme durante una reazione. La velocità all’inizio della reazione, al tempo zero”è detta velocità di reazione iniziale. Quando le concentrazioni dei reagenti si riducono, la velocità di reazione diminuisce e la reazione rallenta.La velocità di reazione in un dato momento, o la velocità di reazione istantanea, viene misurata calcolando la pendenza di una tangente tracciata alla curva di reazione, per reagenti o prodotti, al momento di interesse. Il valore della pendenza o la velocità istantanea in un punto temporale specifico è uguale per tutti i reagenti e prodotti. La velocità di reazione di una reazione chimica riflette anche i coefficienti stechiometrici effettivi di reagenti e prodotti.Quindi, per qualsiasi reazione bilanciata, dove una moli di A reagisce con b moli di B, producendo c moli di C e d moli di D, la velocità di reazione può essere espressa e calcolata usando la formula generica:meno 1/a volte cambia in concentrazione del reagente A nel tempo, pari a meno 1/b volte la variazione della concentrazione del reagente B nel tempo. Questi valori sono gli stessi di più 1/c volte, la variazione della concentrazione del prodotto C nel tempo, che è uguale a più 1/d volte la variazione della concentrazione del prodotto D nel tempo. Determinare le velocità di reazione è fondamentale per lo studio della cinetica chimica, che aiuta a capire quanto velocemente un farmaco, un catalizzatore, o una reazione sintetica funziona in modo che possa essere meglio controllato e ottimizzato nella sua funzione.

13.1:

Velocità di reazione

La velocità di reazione è la variazione della quantità di un reagente o prodotto per unità di tempo. I tassi di reazione sono quindi determinati misurando la dipendenza dal tempo di alcune proprietà che possono essere correlate a quantità reagenti o di prodotto. I tassi di reazioni che consumano o producono sostanze gassose, ad esempio, sono convenientemente determinati misurando le variazioni di volume o pressione.

La rappresentazione matematica del cambiamento nella concentrazione di reagenti e prodotti, nel tempo, è l’espressione di velocità per la reazione. Le parentesi indicano concentrazioni molare e il simbolo delta (Δ) indica “cambiamento in”.

Ad esempio, la concentrazione di perossido di idrogeno, H2O 2 , in unasoluzioneacquosa cambia lentamente nel tempo mentre si decompone secondo l’equazione:

 Eq1

La velocità con cui il perossido di idrogeno si decompone può essere espressa in termini di tasso di variazione della sua concentrazione:

 Eq2

Pertanto, [H2O2]t1 rappresenta la concentrazione molare di perossido di idrogeno al tempo t1; allo stesso modo, [H2O2]t2 rappresenta la concentrazione molare di perossido di idrogeno in un secondo momento t2; e Δ[H2O2] rappresenta il cambiamento nella concentrazione molare del perossido di idrogeno durante l’intervallo di tempo Δt (cioè t2t1). Poiché la concentrazione del reagente diminuisce man mano che la reazione procede, Δ[H2O2] è una quantità negativa. I tassi di reazione sono, per convenzione, quantità positive, e quindi questo cambiamento negativo di concentrazione è moltiplicato per −1.

Velocità di reazione media e velocità di reazione istantanea

I tassi di reazione variano con il tempo e diminuiscono man mano che la reazione procede. Una velocità di reazione media su un intervallo di tempo può essere calcolata utilizzando le concentrazioni all’inizio e alla fine di questo periodo, durante le quali la velocità di reazione sta cambiando. In qualsiasi momento specifico, la velocità con cui una reazione sta procedendo è nota come velocità istantanea. La velocità istantanea di una reazione al “tempo zero”, quando inizia la reazione, è la sua velocità iniziale.

La velocità istantanea di una reazione può essere determinata da uno dei due modi. Se le condizioni sperimentali consentono la misurazione delle variazioni di concentrazione su brevi intervalli di tempo, allora il calcolo dei tassi medi fornisce approssimazioni ragionevolmente buone dei tassi istantanei. In alternativa, può essere utilizzata una procedura grafica. Per esempio, nell’esempio di decomposizione del perossido di idrogeno, tracciando la concentrazione di perossido di idrogeno rispetto al tempo, la velocità istantanea di decomposizione di H2O2 può essere calcolata in qualsiasi momento ‘t‘ dalla pendenza di una tangente disegnata alla curva in quel momento.

 Image1

Questo grafico mostra un grafico di concentrazione rispetto al tempo per una soluzione di 1.000 M di H2O2. La velocità in qualsiasi momento è uguale al negativo della pendenza di una linea tangente alla curva in quel momento. Le tangenti sono mostrate a t = 0 h (“tasso iniziale”) e a t = 12 h (“velocità istantanea” a 12 h).

Tassi di reazione relativi

Il tasso di reazione può essere espresso come variazione di concentrazione di qualsiasi reagente o prodotto. Per ogni data reazione, queste espressioni di velocità sono tutte correlate l’una all’altra in base alla stechiometria di reazione. Il tasso della reazione generale aA ⟶ bB può essere espresso in termini di diminuzione della concentrazione di A o di aumento della concentrazione di B. Queste due espressioni di velocità sono correlate dalla stechiometria della reazione, dove:

 Eq3

Si noti che un segno negativo è stato incluso come fattore per tenere conto dei segni opposti delle due variazioni di quantità (la quantità di reagente sta diminuendo mentre la quantità del prodotto è in aumento).

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Capitolo 12 Introduzione e Openstax, Chimica 2e, Sezione 12.1: Tassi di reazione chimica.