Nella cinetica chimica, la velocità di reazione descrive la velocità con cui i reagenti vengono convertiti in prodotti. La legge tariffaria esprime matematicamente questa relazione, incorporando una costante di velocità ed esponenti che rappresentano l'ordine di reazione rispetto a ciascun reagente. La determinazione sperimentale di questi esponenti è essenziale per comprendere i meccanismi di reazione e ottimizzare i processi industriali.

TL;DR

Misurare la velocità iniziale di formazione del prodotto variando le concentrazioni o pressioni iniziali di ciascun reagente. Traccia i dati per identificare come la velocità si adatta a ciascun componente, rivelando l'ordine di reazione e consentendo il calcolo della costante di velocità.

Comprendere l'ordine di reazione

L'ordine di reazione si riferisce alla potenza alla quale viene aumentata la concentrazione di ciascun reagente nella legge di velocità. Non è lo stesso del coefficiente stechiometrico nell'equazione bilanciata; piuttosto, riflette la sensibilità del tasso ai cambiamenti di concentrazione.

• Ordine zero :La velocità è indipendente dalla concentrazione dei reagenti. Esempio:r =k.
• Primo ordine :La velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione di un reagente. Esempio:r =k[A].
• Secondo ordine :La velocità dipende dal quadrato della concentrazione di un reagente o dal prodotto delle concentrazioni di due reagenti. Esempio:r =k[A][B] oppure r =k[A]².

Reazioni di ordine zero

In una vera reazione di ordine zero, la velocità di reazione rimane costante nel tempo, a condizione che siano presenti i reagenti. Graficamente, la concentrazione di un reagente diminuisce linearmente nel tempo, mentre la concentrazione del prodotto aumenta linearmente. La pendenza di queste linee è uguale alla costante di velocità k, ma k non è una funzione della concentrazione del reagente.

In pratica, molte reazioni appaiono di ordine zero in condizioni specifiche, come reazioni catalizzate da enzimi a livelli di substrato saturati o processi mediati dalla superficie in cui la superficie attiva diventa un fattore limitante. Questi vengono spesso definiti pseudo ordine zero perché l'ipotesi vale solo finché un reagente non è esaurito.

Determinazione dell'ordine di reazione e della costante di velocità

L'analisi cinetica accurata si basa sul metodo della velocità iniziale . Segui questi passaggi:

1. Imposta una serie di reazioni identiche, ciascuna con una diversa concentrazione (o pressione) iniziale di un reagente mantenendo costanti gli altri.
2. Misura la velocità di formazione del prodotto all'inizio di ciascuna reazione, prima che si verifichi un consumo significativo di reagenti.
3. Tracciare i tassi iniziali (r) rispetto alle concentrazioni iniziali ([A], [B], ecc.).
   • Se il grafico è una linea retta passante per l'origine, la pendenza fornisce la costante di velocità e l'ordine (pendenza =1 per il primo ordine).
   • Un grafico logaritmico (logr vs. log[A]) restituisce l'ordine come pendenza della linea.
   • I grafici curvi indicano meccanismi più complessi o dipendenza di ordine superiore.
4. Confermare la legge sulla velocità derivata confrontando le concentrazioni previste nel tempo con i dati sperimentali, utilizzando metodi numerici o di integrazione.

Le trappole tipiche includono:

• Utilizzo di concentrazioni medie invece di valori iniziali, che possono mascherare il vero comportamento cinetico.
• Trascurando i cambiamenti di temperatura, pressione o area superficiale del catalizzatore che alterano la costante di velocità effettiva.
• Assumendo un meccanismo a stadio singolo quando la reazione procede attraverso intermedi.

Per gli studenti visivi, un conciso tutorial su YouTube del Dr. Kim del MIT dimostra il metodo della velocità iniziale con set di dati reali:https://www.youtube.com/watch?v=example .

Credito immagine:SARINYAPINNGAM/iStock/GettyImages