Appunti di chimica su Cinetica chimica, Teoria degli urti, catalizzatori

Cinetica: riepilogo

Stechiometria: Informazioni solo relative al numero di moli.

Termodinamica: Informazioni solo sulla spontaneità delle reazioni.

Cinetica: Studia la dinamica delle reazioni chimiche, ed in particolare la loro velocità.

Velocità di reazione

(A + B → C + D)

Data una generica reazione, si definisce "velocità di reazione" l'aumento della concentrazione dei prodotti rispetto al tempo, o la diminuzione della concentrazione dei reagenti rispetto al tempo.

Velocità media di reazione

v_r = -Δ[A]/Δt = -Δ[B]/Δt = +Δ[C]/Δt = +Δ[D]/Δt

Dal momento che la velocità di reazione non è costante nel tempo e diminuisce man mano che la reazione procede, bisogna considerare la velocità istantanea di reazione.

Velocità istantanea di reazione

v = -d[A]/dt = -d[B]/dt = +d[C]/dt = +d[D]/dt

Se consideriamo una reazione del tipo aA + bB → cC + dD, per la velocità istantanea vengono introdotti fattori stechiometrici:

v = -1/a d[A]/dt = -1/b d[B]/dt = 1/c d[C]/dt = 1/d d[D]/dt

Fattori che influenzano la velocità

Le reazioni possono avvenire in sistemi in cui è presente una sola fase (reazioni omogenee) o più fasi (reazioni eterogenee). Questi stati di aggregazione → diversi stati di aggregazione.

Fattori da cui dipende la velocità di una reazione omogenea

• Natura dei reagenti
• Concentrazione
• Temperatura
• Presenza di catalizzatori
• Pressione (valori per reazione avvenga in fase omogenea stessa sola)

Fattori che possono utilizzare per modificare velocità

Cinetica: riepilogo

Stechiometria → Informazioni solo relative al numero di moli.

Termodinamica → Informazioni sullo spontaneo delle esistenze.

Cinetica → Studia le dinamica delle reazioni chimiche, ed in particolare, al loro velocità.

Velocità di reazione

(A + B → C + D)

Data una generica reazione, si definisce "velocità di reazione" l'aumento della concentrazione dei prodotti, rispetto al tempo, o la diminuzione della concentrazione dei reagenti rispetto al tempo.

Velocità media di reazione

V_m = -Δ[A]/Δt = -Δ[B]/Δt = +Δ[C]/Δt = +Δ[D]/Δt

Variazione della concentrazione.

Dal momento che la velocità di reazione non è costante nel tempo e diminuisce man mano che la reazione procede, bisogna considerare cena?

Velocità istantanea di reazione

V = -d[A]/dt = -d[B]/dt = d[C]/dt = d[D]/dt → Coeff. stechiometria unitari.

Se consideriamo una reazione del tipo aA + bB → cC + dD vlic:

V = 1/a (-d[A]/dt) = 1/b (-d[B]/dt) = 1/c (d[C]/dt) = 1/d (d[D]/dt)

Fattori che influenzano la velocità

Le reazioni possono avvenire in sistemi in cui è presente una sola fase (reazioni omo inge nee) o più fasi (reazioni eterogenee).

Stessi stati di aggregazione è diversa, stati di aggregazione.

• Natura dei reagenti
• Concentrazione
• Temperatura
• Presenza di catalizzatori
• Pressione (valore re reazione avvenga in fase omogeneo stesso sol)

Fattori da cui dipende la velocità di una reazione omogenea

Fattori che possono utilizzare per modificare velocità

Relazione sperimentale della velocità

v = k [A]^mA [B]^nB

Dalla seguente equazione - aA + bb → cC +dD la velocità è data dal prodotto di una costante k che moltiplica le concentrazioni dei reagenti ognuno elevato al proprio ordine parziale di reazione.

Possono coincidere con i coefficienti stechiometrici ma in realtà non spesso indicano le quantità di particelle che partecipano effettivamente alla reazione cioè quanto reagisce di A e quanto di B.

Con tale relazione è possibile spiegare l’effetto della pressione:

Dalla relazione si vede come concentrazione e velocità siano direttamente proporzionali; di conseguenza se aumentiamo la concentrazione aumenta v.

Dal momento che P=RT (allo stato gassoso) dove n= ne segue che se aumentiamo pressione aumenta v, concentrazione aumenta e aumenta la velocità.

Tramite altri effetti sul legame di K.

Relazione di Arrhenius

K= A • e^-Ea/RT

Dove A= costante che dipende dalla natura dei.

R= base dei log naturali 2,71.

E= energia di attivazione della reazione.

R= costante universale dei gas perfetti.

T= temperatura assoluta.

• Costante di velocità
• Velocità specifica di reazione

Con tale relazione è possibile spiegare l’effetto della temperatura:

All’aumentare della temperatura aumenta la velocità in modo esponenziale.

L’effetto del catalizzatore dipende invece dal fattore A.

Questi sono tutti dati sperimentali, che per avere un significato scientifico devono essere supportati da una teoria:

Teoria delle collisioni o urti

Parte dal presupposto che affinché le molecole dei reagenti possano dar luogo ad una reazione chimica, esse devono urtarsi con un'energia cinetica sufficientemente elevata e gli urti devono essere correttamente orientati.

Pertanto, la velocità della reazione dipende dalla frequenza degli urti efficaci (sufficientemente energetici e correttamente orientati).

Con questa teoria si può spiegare l’effetto della concentrazione: aumentando la concentrazione, aumenta la probabilità che le particelle si urtino e, di conseguenza, le probabilità che gli urti siano efficaci aumentano.

Per spiegare l’effetto della temperatura bisogna pensare ai diagrammi di Maxwell e Boltzmann, sulla distribuzione delle energie cinetiche.

In aumento di temperatura, aumenta la velocità delle particelle, quindi aumenta il numero di particelle che possiedono un’energia elevata.

(Energia cinetica elevata = più urti efficaci)

In particolare, gli urti per essere efficaci devono avere un’energia cinetica pari o maggiore dell’energia di attivazione (E_a) della reazione.

Quest’ultima è un’energia potenziale specifica per ogni reazione ed è un valore fisso: è il valore minimo di energia cinetica che le particelle devono possedere affinché i loro urti siano efficaci e producano una reazione chimica.

• A temperature più elevate, aumenta il numero di molecole che possiedono un’energia cinetica maggiore (o uguale) all’energia di attivazione.
• Aumenta il numero di molecole che possono dar luogo a urti efficaci ☞ aumento ✓

Quindi il fattore e^-E_a/RT esprime la frazione di urti che ad una certa temperatura presenta un E_s > E_a → urti efficaci.

Semplice

Rispettiamo 1 con Es= 13 kJ/mol e^-E_a/RT = ^-15000/_8.314×303 R=8.314 I/mol K El=2.4733 ≡r≡= risultati.

Reazioni con EU elevata sono reazioni più lente.

Per aumentare la velocità di una reazione si devono aumentare il numero di particelle con energia cinetica >.

Dal momento che E_a è un valore fisso da noi non modificabile (e non lo possiamo quindi sbarazzare), agisce il fattore per temperatura: aumentiamo i numero di particelle >E_a, e quindi aumentiamo il numero degli urti efficaci.

In l'incremento delle velocità come considerazioni dell'aumento della temperatura non è lo stesso per tutte le reazioni. Le reazioni con un'elevata E_a più sensibili alle variazioni di temperatura.

Il fattore pre-esponenziale A è un valore caratteristico per ogni reazione che ragionevolmente costante al variare della temperatura.

Essa è il prodotto di due controlli:

• Fattore di probabilità (che dipende dalla geometria delle molecole e corretto orientamento)
• Fattore di frequenza (che dipende dalle dimensioni delle particelle)

Da A dipende l'effetto del catalizzatore.