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La cinetica è la branca della chimica fisica che studia la velocità delle reazioni chimiche. Al contrario, la termodinamica ci dice quale direzione della reazione è favorita, senza rivelarne la velocità di reazione. Alcune reazioni possono essere termodinamicamente favorite ma cineticamente sfavorevoli.
Ad esempio, nella conversione del diamante in grafite, la grafite ha un’energia libera inferiore rispetto al diamante, quindi la conversione è termodinamicamente favorita. Tuttavia, esiste una grande barriera di attivazione che impedisce al diamante di rompere e riformare tutti i legami nella configurazione più stabile della grafite, quindi questa reazione è cineticamente sfavorevole e in realtà non si verificherà.
La velocità di reazione è una misura della velocità con cui si formano i prodotti e si consumano i reagenti, quindi puoi determinarlo misurando la variazione della concentrazione di prodotti o reagenti in un periodo di tempo. Considera una reazione chimica generale:
aA + bB ———————–> cC + dD
La velocità di reazione può essere scritta come:
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Ad esempio la velocità di reazione per:
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
è dato da
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Per determinare la velocità di questa reazione mediante un esperimento, puoi misurare la concentrazione di H2 in diversi momenti della reazione e tracciarla rispetto al tempo come segue:
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Il tasso medio di reazione è un'approssimazione della velocità di reazione in un intervallo di tempo e può essere indicata con:
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La velocità istantanea di reazione è definita come la velocità di reazione in un dato istante nel tempo. È un tasso differenziale e può essere espresso da:
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Dove d[H2]/dt è la pendenza della curva della concentrazione di H2 in funzione del tempo al tempo t.
La velocità di reazione iniziale è la velocità istantanea all'inizio della reazione, quando t =0. In questo caso, l'unità per la velocità di reazione media, istantanea e iniziale è M/s.
Nella maggior parte dei casi, la velocità di reazione dipende dalla concentrazione dei vari reagenti al tempo t. Ad esempio, in una concentrazione più elevata di tutti i reagenti, i reagenti si scontrano più frequentemente e determinano una reazione più rapida. La relazione tra la velocità di reazione ν(t) e le concentrazioni è definita come legge sulla velocità . E la legge sulla velocità per la reazione chimica generale aA + bB —————> cC + dD è:
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Dove k è la costante di velocità e la potenza xey è l'ordine della reazione rispetto ai reagenti A e B. La legge sulla velocità deve essere determinata sperimentalmente e non può essere dedotta solo dalla stechiometria di una reazione chimica equilibrata.
La legge tariffaria può essere determinata mediante il metodo delle tariffe iniziali . In questo metodo, l'esperimento viene eseguito più volte, modificando solo la concentrazione di un reagente per ogni esecuzione mantenendo costanti le altre variabili. La velocità della reazione viene misurata per ogni analisi per determinare l'ordine di ciascun reagente nella legge sulla velocità.
Ad esempio, considera i seguenti dati sulla velocità iniziale per la reazione:
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
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Per le prove 1 e 3, la concentrazione di NO viene mantenuta costante mentre la concentrazione di H2 viene raddoppiata. Di conseguenza, anche la velocità iniziale della reazione è raddoppiata (pensala come 21), quindi puoi concludere che y =1. Per le prove 1 e 2, la concentrazione di NO è raddoppiata mentre la concentrazione di H2 rimane costante. Il risultato di questo cambiamento è che il tasso iniziale è quadruplicato (pensalo come 22). Puoi quindi concludere x =2.
La legge di velocità per questa reazione è quindi:
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E la reazione è di prim'ordine in H2 e secondo ordine nel NO.
