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13.2:

Misurazione della velocità di reazione

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Chemistry
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Measuring Reaction Rates

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Le velocità di reazione possono essere studiate determinando la variazione delle concentrazioni di reagenti o prodotti in funzione del tempo. Le variazioni di concentrazione possono essere misurate mediante tecniche sperimentali come polarimetria, spettroscopia, o misurazioni della pressione. La polarimetria utilizza la luce polarizzata nel piano con un campo elettrico orientato lungo un solo piano, e misura la capacità dei composti di ruotare la luce polarizzata, che dipende dalla struttura molecolare del composto presente.Consideriamo l’idrolisi del saccarosio, che produce glucosio e fruttosio. Un polarimetro viene utilizzato per misurare il grado di rotazione della luce polarizzata in un piano che passa attraverso la soluzione di saccarosio reagente. Il saccarosio provoca la rotazione in senso orario, mentre il glucosio e il fruttosio provocano la rotazione in senso antiorario.Misurando il grado di rotazione della luce ad intervalli di tempo prestabiliti, è possibile calcolare le concentrazioni relative di saccarosio, glucosio o fruttosio, e determinare la velocità di reazione. Le velocità di reazione possono anche essere misurate utilizzando metodi spettrofotometrici, usando la capacità di reagenti o prodotti di assorbire la luce di lunghezze d’onda specifiche. Maggiore è la concentrazione della sostanza di interesse, più intenso sarà il suo assorbimento della luce.Per esempio, l’idrogeno gassoso incolore reagisce con il vapore di iodio viola per formare ioduro di idrogeno incolore. Il vapore di iodio assorbe la luce nella regione giallo-verde e riflette la luce viola. Durante la reazione, uno spettrofotometro misura la quantità di luce assorbita dal campione e analizza la luce trasmessa.Pertanto, con il progredire della reazione, la diminuzione della concentrazione dei vapori di iodio viene osservata dalla riduzione dell’assorbimento della luce giallo-verde. Utilizzando la legge Beer-Lambert, è possibile calcolare l’intensità della luce assorbita in diversi momenti e correlarla ai cambiamenti di concentrazione. In alternativa, se uno dei reagenti o dei prodotti è un gas, le misurazioni della pressione sono usate per determinare le velocità di reazione monitorando le variazioni di pressione.Per esempio, durante la decomposizione del perossido di idrogeno, la velocità di reazione viene studiata utilizzando un manometro per monitorare la pressione del gas di ossigeno rilasciato. Man mano che la reazione progredisce e si evolve più ossigeno gassoso, la pressione aumenta. Utilizzando l’equazione del gas ideale, i valori di pressione registrati in diversi momenti vengono convertiti in concentrazioni.La variazione della concentrazione in funzione del tempo viene usata per determinare la velocità di reazione. Per reazioni prolungate, campioni, o aliquote, possono essere prelevati dalla miscela di reazione a intervalli di tempo regolari. Le concentrazioni relative vengono dunque misurate utilizzando tecniche strumentali come gascromatografia, spettrometria di massa o titolazione, per calcolare le velocità di reazione.

13.2:

Misurazione della velocità di reazione

La polarimetria trova applicazione nella cinetica chimica per misurare la cinetica di concentrazione e reazione dei principi otticamente attivi durante una reazione chimica. I principi otticamente attivi hanno la capacità di ruotare il piano di polarizzazione della luce polarizzata linearmente che li attraversa, una caratteristica chiamata rotazione ottica. L’attività ottica è attribuita alla struttura molecolare delle sostanze. La normale luce monocromatica non è polarizzata e possiede oscillazioni del campo elettrico in tutti i piani possibili perpendicolari alla direzione della sua propagazione. Quando una luce non polarizzata passa attraverso un polarizzatore, emerge una luce polarizzata linearmente che mantiene le oscillazioni in un piano.

Uno strumento polarimetrico determina la direzione di polarizzazione della luce o la rotazione prodotta da un principio otticamente attivo. In un polarimetro, la luce polarizzata del piano viene introdotta in un tubo contenente la soluzione reagente e la reazione può essere seguita senza disturbare il sistema. Se il campione contiene sostanze otticamente inattive, non vi sarà alcun cambiamento nell’orientamento del piano della luce polarizzata. La luce sarà visibile nella stessa intensità sullo schermo dell’analizzatore, e l’angolo di lettura della rotazione (?) leggerà zero gradi.

Tuttavia, la presenza di composti otticamente attivi nel campione reagente provoca la rotazione del piano della luce polarizzata che passa. La luce che emergerà sarà meno luminosa. L’asse del dispositivo dell’analizzatore dovrà essere ruotato in senso orario (dextrorotatorio) o antiorario (levorotatorio) per osservare la massima luminosità. La direzione in cui l’analizzatore deve essere ruotato dipende dalla natura del composto presente. La rotazione ottica misurata è proporzionale alla concentrazione dei principi otticamente attivi presenti nel campione. Analizzando l’angolo di misurazione della rotazione in diversi punti di tempo, le concentrazioni dei composti otticamente attivi possono essere determinate in funzione del tempo.

Spettrometria

Tecniche sperimentali ottiche come la spettrometria sono spesso utilizzate anche per monitorare le reazioni chimiche e garantire informazioni quantitative sulla cinetica di reazione. Usando la spettrometria, la luce di una lunghezza d’onda specifica viene fatta passare attraverso un campione reagente. Le molecole o i composti (un reagente o un prodotto) all’interno del campione possono assorbire un po ‘di luce mentre trasmettono la quantità rimanente, che viene misurata da un rivelatore. La quantità di luce assorbita dipende dalla concentrazione del composto o della molecola di interesse. Ad esempio, maggiore è la concentrazione di un composto, maggiore è la sua assorbanza. Dall’assorbanza, lo strumento sarà in grado di determinare la concentrazione del composto di interesse. In un campione reagente, l’assorbanza misurata ad intervalli periodici calcola le concentrazioni del reagente o del prodotto in funzione del tempo.

Misurazioni della pressione

Per le reazioni che coinvolgono sostanze in fase gassosa, la cinetica di reazione è seguita dalla quantificazione delle variazioni del numero di talpe di gas in funzione delle variazioni di pressione. Le impostazioni sperimentali di una reazione in fase gassosa possono essere collegate ad un manometro che potrebbe misurare la pressione di un reagente gassoso o di un prodotto. Man mano che la reazione progredisce, la pressione dei reagenti diminuisce e (o) la pressione dei prodotti aumenta. Questo può essere misurato dal manometro in funzione del tempo. Utilizzando la legge del gas ideale — la concentrazione di un gas è proporzionale alla sua pressione parziale — si può calcolare la velocità di una reazione chimica.