In una reazione chimica, le particelle si scontrano e trasferiscono energia sufficiente per rompere i legami esistenti e formarne di nuovi. Comprendere la velocità con cui avviene questo processo è fondamentale per chimici, ingegneri e ricercatori.
Considera una semplice conversione:A → B . La velocità può essere descritta da come la concentrazione di A diminuisce o da come B aumenta nel tempo:
velocità =-\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t}
Il segno negativo riflette il consumo di A, mentre le equazioni vengono mediate su un intervallo di tempo prescelto.
Per misurare sperimentalmente la velocità, monitorare la concentrazione di un reagente o di un prodotto in funzione del tempo. Registrando i dati in più punti temporali, traccia la concentrazione rispetto al tempo e calcola la pendenza per ottenere la velocità istantanea.
Quando si studia una reazione come A + B → C + D , è comune mantenere un reagente (ad esempio B) in grande eccesso in modo che la sua concentrazione rimanga essenzialmente costante. Questo isola l'effetto dell'altro reagente (A) sulla velocità.
Tracciare il tasso rispetto a concentrazioni variabili di A rivelerà se il tasso è proporzionale ad [A]. Una relazione lineare indica una dipendenza del primo ordine da A.
In tal caso, la costante di velocità (k) è definita come:
k =\dfrac{velocità}{[A]}
k è una vera costante per una data reazione a una temperatura fissa; è indipendente dalle concentrazioni dei reagenti. Le sue unità sono tipicamente s -1 .
La stechiometria mette in relazione i rapporti molari dei reagenti e dei prodotti. Per un'equazione equilibrata come 3A → B , una mole di B consuma tre moli di A. L'espressione della velocità diventa:
velocità =-\dfrac{1}{3}\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t}
Più in generale, per aA + bB → cC + dD , la tariffa è:
velocità =-\dfrac{1}{a}\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =-\dfrac{1}{b}\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t} =\dfrac{1}{c}\dfrac{\Delta[C]}{\Delta t} =\dfrac{1}{d}\dfrac{\Delta[D]}{\Delta t}
La legge tariffaria lega la velocità alle concentrazioni di reagenti elevate a potenze specifiche:
tasso =k[A]^x[B]^y
Qui k è la costante di velocità, mentre xey sono gli ordini di reazione rispetto ad A e B, rispettivamente. Questi esponenti non derivano dall'equazione chimica; devono essere determinati sperimentalmente.
Considera la reazione dell'idrogeno con l'acido nitrico:
2H2 + 2NO → N2 + 2H2 O
La legge tariffaria ha la forma:
tasso =k[H2 ]^x[NO]^y
Utilizzo dei dati della velocità iniziale:
| Esperimento | [H2 ] | [NO] | Tariffa iniziale (M/s) |
|---|---|---|---|
| 1 | 3,0×10 -3 | 1,0×10 -3 | 2,0×10 -4 |
| 2 | 3,0×10 -3 | 2,0×10 -3 | 8,0×10 -4 |
| 3 | 6,0×10 -3 | 2,0×10 -3 | 1,6×10 -3 |
Confrontando esperimenti in cui un reagente è mantenuto costante, è possibile estrarre gli esponenti:
Quindi la legge tariffaria è:
tasso =k[H2 ][NO] 2
La somma degli ordini produce una reazione complessiva di terzo ordine.
Comprendere e applicare questi principi consente un'accurata modellazione cinetica, progettazione di reattori e ottimizzazione in ambienti industriali e di laboratorio.
