Fattori cinetici chimici, ordine di reazione, applicazioni

il cinetica chimica È lo studio delle velocità di una reazione. Deduce dati sperimentali o teorici sul meccanismo molecolare, attraverso leggi espresse da equazioni matematiche. I meccanismi consistono in una serie di passaggi, alcuni dei quali sono veloci e altri lenti.

Il più lento di questi è chiamato il passo che determina la velocità. Pertanto, conoscere la specie intermedia e il meccanismo operante di questo passaggio è molto importante in termini di cinetica. Una visualizzazione di quanto sopra è di supporre che i reagenti siano racchiusi in una bottiglia e che, quando reagiscono, i prodotti fuoriescano all'esterno.

Mentre il meccanismo avanza, la velocità di reazione diminuisce fino a raggiungere un valore minimo. Questo valore minimo è il passo determinante della velocità ed è rappresentato come il collo della bottiglia; più stretto è il collo, più lento sarà questo passaggio.

Infine, i prodotti emergono liberamente dalla bocca della bottiglia senza ulteriori impedimenti cinetici. Da questa prospettiva, ci sono bottiglie di molte dimensioni e disegni. Tuttavia, hanno tutti un elemento in comune: un collo stretto, indicatore del passo decisivo della reazione.

indice

• 1 Che cosa studia la cinetica chimica?
• 2 Tasso di reazione
  • 2.1 Definizione
  • 2.2 Equazione generale
  • 2.3 Esempio di dessert
  • 2.4 Come determinarlo
• 3 Fattori che influenzano la velocità di reazione
  • 3.1 Natura delle specie chimiche
  • 3.2 Concentrazione dei reagenti
  • 3.3 Temperatura
• 4 Ordine di reazione nella cinetica chimica
  • 4.1 Reazioni dell'ordine zero
  • 4.2 Reazione del primo ordine
  • 4.3 Reazione del secondo ordine
  • 4.4 Ordine di reazione vs molecolarità
• 5 applicazioni
• 6 riferimenti

Che cosa studia la cinetica chimica?

Sperimentalmente, questo ramo della chimica studia le variazioni di concentrazione coinvolte in una reazione chimica, dalla misurazione di una proprietà specifica.

La cinetica chimica è la branca della chimica responsabile dello studio di tutte le informazioni che possono essere derivate dalla velocità di una reazione. Il suo nome ti invita a immaginare un orologio da tasca che segna il tempo di un processo, indipendentemente da dove si verifica: in un reattore, in una nuvola, in un fiume, nel corpo umano, ecc.

Tutte le reazioni chimiche e quindi tutte le trasformazioni hanno aspetti termodinamici, di equilibrio e cinetici. La termodinamica indica se una reazione è spontanea o meno; il saldo del suo grado di quantificazione; e le condizioni cinetiche che favoriscono la sua velocità e i dati sul suo meccanismo.

Molti degli aspetti essenziali della cinetica chimica possono essere osservati nella vita quotidiana: nel frigorifero, che congela il cibo per ridurne la decomposizione, congelando l'acqua che ne fa parte. Inoltre, nella maturazione dei vini, il cui invecchiamento conferisce loro i loro piacevoli sapori.

Tuttavia, "il tempo delle molecole" è molto diverso nelle sue piccole scale e varia enormemente in base a molti fattori (numero e tipi di collegamenti, dimensioni, stati della materia, ecc.).

Poiché il tempo è vita, ed è anche denaro, è molto importante sapere quali variabili consentono a una reazione chimica di procedere il più rapidamente possibile. Tuttavia, a volte è richiesto il contrario: che la reazione avvenga molto lentamente, specialmente se è esotermica e vi sono rischi di esplosione.

Quali sono queste variabili? Alcuni sono fisici, ad esempio a quale pressione o temperatura deve avere un reattore o un sistema; e altri sono chimici, come il tipo di solvente, pH, salinità, struttura molecolare, ecc.

Tuttavia, prima di arrivare a queste variabili, per prima cosa dobbiamo studiare la cinetica della presente reazione.

Come? Attraverso la variazione di concentrazione, che può essere seguita se una particolare proprietà è quantificata che è proporzionale alla prima. Nel corso della storia i metodi sono diventati più sofisticati, consentendo misurazioni più accurate e precise e con intervalli sempre più ridotti.

Tasso di reazione

Per determinare la velocità di una reazione chimica è necessario sapere come varia la concentrazione nel tempo di una qualsiasi delle specie coinvolte. Questa velocità dipende in larga misura da molti fattori, ma la cosa più importante è che è misurabile per quelle reazioni che avvengono "lentamente".

Qui la parola "lentamente" è relativa ed è definita per tutto ciò che può essere misurato con le tecniche strumentali disponibili. Se, per esempio, la reazione è molto più veloce della capacità di misurazione dell'apparecchiatura, allora non sarà quantitativa, né si potrà studiare la sua cinetica.

Quindi, la velocità di reazione viene determinata alla soglia di qualsiasi processo prima che raggiunga l'equilibrio. Perché? Perché in equilibrio la velocità della reazione diretta (formazione di prodotti) e quella della reazione inversa (formazione di reagenti) sono uguali.

Controllando le variabili che agiscono sul sistema e, di conseguenza, la sua cinetica o la velocità della reazione, è possibile scegliere le condizioni ideali per generare una certa quantità di prodotto nel momento più opportuno e sicuro.

D'altra parte, questa conoscenza rivela il meccanismo molecolare, che è prezioso quando si aumenta la performance di una reazione.

definizione

La velocità è il cambiamento di una grandezza in funzione del tempo. Per questi studi, l'interesse è nel determinare la variazione della concentrazione come ore, i minuti passano; il nano, il picco o addirittura i femtosecondi (10^-15s).

Può avere molte unità, ma la più semplice e più semplice di tutte è M · s^-1o che è uguale a mol / L · s. Indipendentemente dalle sue unità, deve sempre avere un valore positivo, poiché è una quantità fisica (come dimensioni o massa).

Tuttavia, d'intesa, i tassi di scomparsa di un reagente hanno un segno negativo e i tassi di comparsa di un prodotto, segno positivo.

Ma se i reagenti e i prodotti hanno le loro velocità, come determinare la velocità della reazione generale? La risposta sta nei coefficienti stechiometrici.

Equazione generale

La seguente equazione chimica esprime la reazione di A e B per formare C e D:

aA + BB => cC + dD

Le concentrazioni molari sono solitamente espresse tra parentesi, così che, per esempio, la concentrazione della specie A è scritta come [A]. Pertanto, la velocità di reazione per ciascuna delle specie chimiche coinvolte è:

Secondo l'equazione matematica, ci sono quattro vie per raggiungere la velocità della reazione: viene misurata la variazione di concentrazione di uno qualsiasi dei reagenti (A o B) o dei prodotti (C o D).

Quindi, con uno di questi valori, e il suo corretto coefficiente stechiometrico, viene diviso per quest'ultimo e per ottenere la velocità di reazione rxn.

Poiché la velocità di reazione è una quantità positiva, il segno negativo moltiplica i valori di velocità negativa dei reagenti; per questo motivo i coefficienti a e B moltiplicare per (-1).

Ad esempio, se il tasso di scomparsa di A è - (5 M / s) e il suo coefficiente stechiometrico a è 2, quindi la velocità rxn è uguale a 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Illustrazione di dessert

Se il prodotto fosse un dolce, gli ingredienti per analogia sarebbero i reagenti; e l'equazione chimica, la ricetta:

7Cookie + 3 Brownies + 1Salad => 1Postre

E le velocità per ciascuno degli ingredienti dolci e lo stesso dessert sono:

Quindi, la velocità con cui viene preparato il dessert può essere determinata con la variazione dei biscotti, dei brownies, del gelato o del set stesso; dividendolo successivamente tra i suoi coefficienti stechiometrici (7, 3, 1 e 1). Tuttavia, uno dei percorsi potrebbe essere più facile dell'altro.

Ad esempio, se si misura come [Dessert] aumenta a diversi intervalli di tempo, queste misurazioni potrebbero essere complicate.

D'altra parte, potrebbe essere più pratico e pratico misurare i [cookie], a causa del loro numero o di alcune delle loro proprietà che rendono la loro concentrazione più facile da determinare rispetto a quella dei brownies o del gelato.

Come determinarlo

Data la semplice reazione A => B, se A, ad esempio, in soluzione acquosa, presenta una colorazione verde, allora questo dipende dalla sua concentrazione. Quindi, quando A diventa B, il colore verde scompare e se questa scomparsa è quantificata, si può ottenere una curva di [A] rispetto a t.

D'altra parte, se B è una specie acida, il pH della soluzione scenderà a valori inferiori a 7. Quindi, dalla diminuzione del pH otteniamo [B], e consecutivamente, il grafico [B] vs t. Sovrapponendo quindi entrambi i grafici viene analizzata qualcosa come la seguente:

Nel grafico puoi vedere come [A] diminuisce col tempo, perché è consumato, e come la curva [B] aumenta con pendenza positiva perché è il prodotto.

Si vede anche che [A] tende a zero (se non c'è equilibrio) e che [B] raggiunge un valore massimo governato dalla stechiometria e se la reazione è completa (tutto A è consumato).

La velocità di reazione di entrambi A e B è la linea tangente su ognuna di queste curve; in altre parole, la derivata.

Fattori che influenzano la velocità di reazione

Natura delle specie chimiche

Se tutte le reazioni chimiche fossero istantanee, i loro studi cinetici non esisterebbero. Molti hanno velocità così elevate da non poter essere misurate; cioè, non sono misurabili.

Pertanto, le reazioni tra gli ioni sono in genere molto veloci e complete (con un rendimento intorno al 100%). D'altra parte, quelli che coinvolgono composti organici richiedono del tempo. Una reazione del primo tipo è:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

Le forti interazioni elettrostatiche tra gli ioni favoriscono la rapida formazione di acqua e solfato di sodio. Al contrario, una reazione del secondo tipo è, ad esempio, l'esterificazione dell'acido acetico:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Anche se si forma anche acqua, la reazione non è istantanea; anche in condizioni favorevoli, sono necessarie diverse ore per completare.

Tuttavia, altre variabili hanno una maggiore influenza sulla velocità della reazione: concentrazione dei reagenti, temperatura, pressione e presenza di catalizzatori.

Concentrazione dei reagenti

Nella cinetica chimica lo spazio in studio, separato dall'infinito, è chiamato sistema. Ad esempio, un reattore, un becher, una fiaschetta, una nuvola, una stella, ecc., Possono essere considerati come il sistema in esame.

Pertanto, all'interno del sistema le molecole non sono statiche ma "viaggiano" verso tutti gli angoli. In alcuni di questi spostamenti si scontrano con un'altra molecola per rimbalzare o originare prodotti.

Quindi, il numero di collisioni è proporzionale alla concentrazione dei reagenti. L'immagine in alto illustra come il sistema cambia da basse a alte concentrazioni.

Inoltre, finché ci saranno più collisioni, la velocità di reazione sarà più alta, poiché aumentano le possibilità di reazione di due molecole.

Se i reagenti sono gassosi, la pressione variabile viene gestita e correlata alla concentrazione di gas assumendo una qualsiasi delle molte equazioni esistenti (come il gas ideale); o anche, il volume del sistema è ridotto per aumentare la probabilità che le molecole di gas si scontrino.

temperatura

Sebbene il numero di collisioni aumenti, non tutte le molecole hanno l'energia necessaria per superare l'energia di attivazione del processo.

È qui che la temperatura gioca un ruolo importante: assolve la funzione di accelerare termicamente le molecole in modo che entrino in collisione con più energia.

Pertanto, generalmente la velocità di reazione raddoppia per ogni 10 ° C di aumento della temperatura del sistema. Tuttavia, per tutte le reazioni non è sempre il caso. Come prevedere questo aumento? L'equazione di Arrhenius risponde alla domanda:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K è la costante di velocità alla temperatura T, R è la costante dei gas ed E è l'energia di attivazione. Questa energia è indicativa della barriera di energia che i reagenti devono scalare per reagire.

Per eseguire uno studio cinetico è necessario mantenere la temperatura costante e senza catalizzatori. Quali sono i catalizzatori? Sono specie esterne che intervengono nella reazione ma senza essere consumate e che diminuiscono l'energia di attivazione.

Nell'immagine superiore è illustrato il concetto di catalisi per la reazione del glucosio con l'ossigeno. La linea rossa rappresenta l'energia di attivazione senza l'enzima (catalizzatore biologico), mentre con essa la linea blu mostra una diminuzione dell'energia di attivazione.

Ordine di reazione in cinetica chimica

In un'equazione chimica gli indici stechiometrici, relativi al meccanismo della reazione, non sono uguali agli indici dell'ordine della stessa. Le reazioni chimiche di solito hanno un primo o un secondo ordine, raramente di terzo ordine o superiore.

Perché è? Che le collisioni di tre molecole eccitate energeticamente siano improbabili, e ancor più le collisioni quadruple o quintuple, dove la probabilità è infinitesimale. Sono anche possibili ordini di reazione frazionaria. Ad esempio:

NH₄Cl <=> NH₃ + HCl

La reazione è il primo ordine in una direzione (da sinistra a destra) e il secondo ordine nell'altra (da destra a sinistra) se è considerato come un equilibrio. Mentre il seguente saldo è di secondo ordine in entrambe le direzioni:

2HI <=> H₂ + I₂

Molecolarità e ordine di reazione sono gli stessi? No. La molecolarità è il numero di molecole che reagiscono per dare origine ai prodotti e l'ordine della reazione globale è lo stesso ordine dei reagenti coinvolti nella velocità di determinazione del passo.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SW₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SW₄ + 8H₂O

Questa reazione, nonostante abbia alti indici stechiometrici (molecolarità), è in realtà una reazione di secondo ordine. In altre parole, la fase di determinazione della velocità è di secondo ordine.

Reazioni dell'ordine zero

Si verificano in caso di reazioni eterogenee. Ad esempio: tra un liquido e un solido. Pertanto, la velocità è indipendente dalle concentrazioni dei reagenti.

Allo stesso modo, se un reagente ha un ordine di reazione pari a zero, significa che non partecipa alla fase di determinazione della velocità, ma a quelli veloci.

Reazione del primo ordine

A => B

Una reazione di primo ordine è regolata dalla seguente legge sulla velocità:

V = k [A]

Se la concentrazione di A raddoppia, anche la velocità di reazione V lo fa. Pertanto, la velocità è proporzionale alla concentrazione del reagente nel gradino che determina la reazione.

Reazione del secondo ordine

2A => B

A + B => C

Due specie intervengono in questo tipo di reazione, come nelle due equazioni chimiche appena scritte. Le leggi sulla velocità per le reazioni sono:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Nel primo la velocità di reazione è proporzionale al quadrato della concentrazione di A, mentre nel secondo lo stesso accade come nelle reazioni del primo ordine: la velocità è direttamente proporzionale alle concentrazioni di entrambi A e B.

Ordine di reazione vs molecolarità

Secondo l'esempio precedente, i coefficienti stechiometrici possono o meno coincidere con gli ordini della reazione.

Tuttavia, questo si verifica per le reazioni elementari, che determinano il meccanismo molecolare di ogni fase di una reazione. In queste reazioni i coefficienti sono pari al numero di molecole partecipanti.

Per esempio, una molecola di A reagisce con una di B per formare una molecola di C. Qui la molecolarità è 1 per i reagenti e quindi nell'espressione della legge di velocità essi coincidono con gli ordini di reazione.

Da ciò ne consegue che la molecolarità deve sempre essere un numero intero e, probabilisticamente, inferiore a quattro.

Perché? Perché nel passaggio di un meccanismo è molto improbabile che quattro molecole partecipino contemporaneamente; potresti prima reagire due di loro, e poi gli altri due reagirebbero con questo prodotto.

Matematicamente, questa è una delle principali differenze tra gli ordini di reazione e la molecolarità: un ordine di reazione può assumere valori frazionari (1/2, 5/2, ecc.).

Questo perché il primo riflette solo il modo in cui la concentrazione della specie influenza la velocità, ma non il modo in cui le loro molecole intervengono nel processo.

applicazioni

- Permette di determinare il tempo in cui un farmaco rimane nell'organismo prima della sua completa metabolizzazione. Inoltre, grazie agli studi cinetici, la catalisi enzimatica può essere seguita come metodo ecologico contro altri catalizzatori con impatti ambientali negativi; o anche per essere utilizzato in innumerevoli processi industriali.

- Nell'industria automobilistica, in particolare all'interno dei motori, dove le reazioni elettrochimiche devono essere eseguite rapidamente affinché il veicolo possa avviarsi. Anche nei suoi tubi di scappamento, che hanno convertitori catalitici per trasformare i gas nocivi CO, NO e NO_x in CO₂, H₂O, N₂ e O₂ durante il tempo ottimale.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-E 'la reazione dietro perché gli airbag si gonfiano, gli airbag, quando i veicoli si scontrano. Quando le gomme si rompono bruscamente, un rivelatore fa esplodere elettricamente sodio azide, NaN₃. Questo reagente "esplode" rilasciando N₂, che occupa rapidamente l'intero volume della borsa.

Il sodio metallico reagisce quindi con altri componenti per neutralizzarlo, perché al suo stato puro è velenoso.

riferimenti

1. Walter J. Moore. (1963). Chimica fisica in Cinetica chimica. Quarta edizione, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Principi di fisica-chimica. Sesta edizione, pagina 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 dicembre 2011). Molecolari collisioni-è. [Figua]. Estratto il 30 aprile 2018 da: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Libro di testo di chimica fisica. in Cinetica chimica. Seconda edizione D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 marzo 2017). Definizione della cinetica chimica. Estratto il 30 aprile 2018 da: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Tassi di reazione e leggi tariffarie. Estratto il 30 aprile 2018 da: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 luglio 2010). Cinetica chimica Estratto il 30 aprile 2018 da: quimicafisica.com