Tutte le reazioni chimiche hanno una velocità specifica, che definisce la velocità con cui i reagenti si trasformano in prodotti.
Le reazioni chimiche sono governate da due fattori: cinetica e termodinamica. I fattori termodinamici spiegano se si verificherà o meno una reazione e se assorbe o emette energia durante il processo.
La cinetica si riferisce alla velocità di una reazione chimica e alla velocità con cui il sistema raggiunge l’equilibrio., La cinetica di una reazione è descritta dalla legge di velocità cinetica, che definisce la velocità basata su una costante di velocità di reazione, la concentrazione dei componenti e l’ordine della reazione.
Questo video introdurrà la cinetica di reazione utilizzando l’equazione della legge di velocità e dimostrerà come determinare la legge di velocità per una determinata reazione in laboratorio.
Per una reazione generale, la velocità di reazione è uguale alla costante di velocità volte le concentrazioni dei reagenti, ciascuna elevata a un ordine di reazione. La costante di velocità, k, è fissata per una reazione ad una data temperatura.,
Gli ordini di reazione sono indipendenti dai coefficienti stechiometrici. Invece dipendono dal meccanismo di reazione e illustrano come la velocità sia correlata alla concentrazione di reagenti. Ad esempio, se la velocità di reazione è invariata quando la concentrazione di “A” raddoppia, la reazione non dipende dalla concentrazione e l’ordine è zero.
Se la velocità raddoppia quando la concentrazione del reagente “A” raddoppia, allora la reazione è di primo ordine rispetto a “A.” Lo stesso comportamento vale per il reagente “B”., L’ordine complessivo di una reazione è la somma dei singoli ordini di reazione per ciascun reagente.
Durante una reazione, la concentrazione dei reagenti cambia nel tempo. Si noti che che l’equazione tasso di base non include il tempo come variabile, e può riguardare solo tasso e concentrazione in un punto di tempo specifico. Tuttavia, la velocità cambia man mano che la reazione procede e quando i reagenti sono esauriti. Utilizzando una legge di tasso differenziale può mettere in relazione il cambiamento di concentrazione al tempo.,
La legge di velocità per una reazione deve essere determinata sperimentalmente, dove una reazione chimica è attentamente controllata a temperatura costante e la concentrazione dei reagenti o dei prodotti misurata a intervalli di tempo specifici. Poiché le misurazioni della concentrazione sono effettuate in punti temporali discreti, la legge del tasso differenziale è difficile da correlare ai dati sperimentali.
L’integrazione della legge del tasso differenziale si traduce in un’equazione più semplice, chiamata legge del tasso integrato. La legge di velocità integrata confronta le concentrazioni del reagente all’inizio della reazione e in un momento specificato.,
L’equazione della legge di velocità integrata varia a seconda dell’ordine della reazione. Queste equazioni possono assumere la forma lineare y=mx + b. Quindi, un grafico di concentrazione vs tempo produce un grafico lineare per un’equazione di ordine zero, un grafico del registro naturale di concentrazione vs tempo produce un grafico lineare per un’equazione del primo ordine e così via. Adattando dati sperimentali a queste equazioni, l’ordine di una reazione può essere facilmente determinato. La costante di velocità, k, può quindi essere determinata utilizzando la pendenza della linea. Infine, le unità di k variano a seconda dell’ordine della reazione., Per una reazione di ordine zero, le unità sono moli per litro al secondo, per una reazione di primo ordine, le unità sono secondi inversi e per una reazione di secondo ordine le unità sono litri per mole al secondo.
Ora che sono state spiegate le basi delle leggi del tasso cinetico, diamo un’occhiata a come determinare sperimentalmente la legge del tasso per la decomposizione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno.
In questo esperimento, viene esplorata la decomposizione catalitica del perossido di idrogeno su un catalizzatore di platino.
In primo luogo, preparare 5 diluizioni di perossido di idrogeno, come mostrato nella tabella., In questo caso, le concentrazioni vanno da 0,882 a 0,176 M, utilizzando una soluzione madre al 3% o 0,882 M. Lasciare che le soluzioni si equilibrino a temperatura ambiente.
Quindi, preparare il recipiente di reazione usando una provetta. Innanzitutto determinare il volume riempiendo una grande provetta verso l’alto con acqua. Quindi, inserire un tappo di gomma a 1 foro fino a quando non è stretto e l’acqua spinge fuori dal foro attraverso la parte superiore.
Rimuovere il tappo e versare l’acqua in un cilindro graduato per misurare il volume esatto. Questo è il volume del vaso di reazione.,
Quindi, versare 50 ml della prima soluzione di perossido di idrogeno nella provetta, quindi posizionare la provetta nel bagno d’acqua a 25 °C. Una volta equilibrato, aggiungere un disco di reazione rivestito di platino e sigillare il sistema con un tappo collegato a un sensore di pressione del gas.
Poiché uno dei prodotti è il gas ossigeno, l’aumento della pressione nel sistema viene utilizzato per misurare l’aumento di ossigeno. Impostare il sensore di pressione per acquisire dati a 2 punti per s, quindi eseguire l’esperimento per 120 s. Le bolle dovrebbero essere visibili quando il perossido si decompone in gas ossigeno e acqua.,
Al termine del periodo di reazione, rilasciare la pressione e smaltire la soluzione di perossido. Risciacquare il tubo, quindi riempire il tubo con la successiva soluzione di perossido di idrogeno. Ripetere la misurazione della pressione del gas per tutte le soluzioni.
Tracciare i dati di pressione rispetto al tempo per ogni soluzione. La pressione dell’ossigeno evoluto è direttamente proporzionale alle talpe di ossigeno formate secondo la legge del gas ideale. Dopo la reazione chimica, le talpe di ossigeno formate possono essere utilizzate per calcolare le talpe di perossido di idrogeno decomposto., Innanzitutto, supponiamo che la concentrazione di perossido di idrogeno non sia cambiata significativamente durante la breve durata dell’esperimento. Pertanto, i dati tracciati rappresentano solo la regione iniziale dell’esperimento cinetico.
Determina la pendenza di ciascun set di dati utilizzando una regressione lineare. La pendenza è uguale alla velocità di reazione iniziale in unità di pressione di ossigeno al secondo.
Successivamente, grafico del registro naturale della velocità di reazione iniziale rispetto al registro naturale della concentrazione iniziale di perossido. La pendenza è uguale all’ordine di reazione, m, ed è approssimativamente uguale a uno., Pertanto, la reazione è di primo ordine.
Il tasso per ogni prova è in unità di pressione in Torr, al secondo. Per determinare la costante di velocità, prima convertire la velocità in unità di atmosfere al secondo. Poiché le bolle si sono evolute nella soluzione acquosa, sottrarre la pressione di vapore dell’acqua dalla pressione del sistema per ogni prova. La nuova velocità riflette quindi solo la pressione dovuta all’evoluzione dell’ossigeno.
Applicare la legge del gas ideale per convertire la velocità da atmosfere per sé a moli per s per ogni prova., Due volte le talpe di ossigeno prodotte sono uguali alle talpe di perossido di idrogeno decomposte, secondo la stechiometria della reazione chimica. Quindi, utilizzare il volume di reazione per convertire le unità della velocità in molarità al secondo.
Determinare le costanti di velocità per ogni prova dividendo la velocità in molarità per s per la concentrazione iniziale. In questo esperimento, la costante di velocità media, k, è di circa 1,48 x 10-4 per s. La reazione è di primo ordine, nota dal grafico log naturale-log naturale mostrato in precedenza. Pertanto, la legge sui tassi può essere scritta come mostrato.,
Ora che hai esaminato come determinare la legge di velocità per una reazione chimica, diamo un’occhiata ad alcune aree in cui viene applicato questo concetto.
Le reazioni chimiche sono utilizzate nella sintesi di composti e materiali utilizzati in una vasta gamma di applicazioni scientifiche. È importante capire la velocità di reazione in queste fasi di sintesi, al fine di controllare il progresso di una reazione.
Ad esempio, la sintesi di nanocristalli e nanorodi di selenidi di cadmio procede attraverso una serie di reazioni chimiche., Ogni reazione ha una propria velocità di reazione discreta, e quindi la fase di sintesi è attentamente controllata in base alla velocità di conoscenza della reazione; alcuni lenti e alcuni molto veloci.
La legge della velocità di reazione può anche essere utilizzata per descrivere il decadimento radioattivo e determinare l’emivita del materiale radioattivo. L’emivita si riferisce alla quantità di tempo richiesta affinchè la concentrazione di un materiale cada a metà della sua concentrazione iniziale.,
La radioattività segue la cinetica del primo ordine, il che significa che il tempo necessario per il decadimento del materiale radioattivo a un livello sicuro può essere molto ben caratterizzato, consentendo un adeguato trasporto e stoccaggio di materiale radioattivo e rifiuti radioattivi.
Simile ai materiali radioattivi, i farmaci hanno anche un’emivita e si degradano nel corpo. Ad esempio, alcuni farmaci hanno costanti ad alta velocità, il che significa che si degradano rapidamente e devono essere assunti frequentemente. La conoscenza di questo tasso di degradazione consente di determinare il dosaggio appropriato, l’uso e il metodo di consegna.,
Hai appena visto l’introduzione di Giove ai tassi di reazione. Ora dovresti capire i diversi ordini di reazioni chimiche, come si riferiscono alle velocità di reazione chimica e come determinare la legge del tasso per una determinata reazione chimica in laboratorio.
Grazie per aver guardato!