Appunti Ingegneria sanitaria-ambientale

Stechiometria e cinetica delle reazioni

Una classificazione delle reazioni chimiche può essere fatta basandosi sul numero di fasi che percorrono parte della reazione, vi sono:

• Reazioni eterogenee, avvengono in corrispondenza della superficie di separazione, detta interfaccia, tra almeno due fasi diverse, esempio reazioni liquido/solido.
• Reazioni omogenee, avvengono tra specie all'interno della stessa fase, solido, liquido o gassosa.

Se si considerano le reazioni omogenee, si definiscono:

• Reazioni singole, rappresentabili utilizzando un'unica espressione stechiometrica e da un'unica equazione cinetica.

A + B -> C

• Reazioni multiple, la cui rappresentazione richiede una pluralità di stechiometrie e di cinetiche.

a) Reazioni in serie, la trasformazione da reagenti a prodotti avviene passando attraverso fasi intermedie

R -> I -> P

b) Reazioni in parallelo, in cui più di una reazione coinvolge uno stesso reagente secondo stadi:

• Concorrenti
• Indipendenti
• Serie + parallelo

Per Reazione elementare si intende una reazione in cui esiste una corrispondenza fra la sua stechiometria ed il termine dell'equazione cinetica dipendente dalla composizione

Reazione reversibile: reazione in cui si può avere il passaggio da reagenti a prodotti e da prodotti a reagenti;

Reazione irreversibile: non si può tornare allo stato iniziale della reazione.

Stechiometria e cinetica delle reazioni

Una classificazione delle reazioni chimiche può essere fatta basandosi sul numero di fasi che vengono parte della reazione, vi sono:

• Reazioni eterogenee, avvengono in corrispondenza della superficie di separazione, detta interfaccia, tra almeno due fasi diverse, esempio reazioni liquido/solido.
• Reazioni omogenee, avvengono tra specie all'interno della stessa fase, solido, liquido o gassosa.

Se si considerano le reazioni omogenee, si definiscono:

• Reazioni singole, rappresentabili utilizzando un'unica espressione stechiometrica e da un'unica equazione cinetica.

A + B -> C

• Reazioni multiple, la cui rappresentazione richiede una pluralità di stechiometrie e di cinetiche.

a) Reazioni in serie, la trasformazione da reagenti a prodotti avviene passando attraverso fasi intermedie

R -> I -> P

b) Reazioni in parallelo, in cui più di una reazione coinvolge uno stesso reagente secondo stadi:

• Concorrenti
• Indipendenti
• Serie + parallelo

Per Reazione elementare si intende una reazione in cui esiste una corrispondenza fra la sua stechiometria ed il termine dell'equazione cinetica dipendente dalla composizione

Reazione reversibile: reazione in cui si può avere il passaggio da reagenti a prodotti e da prodotti a reagenti;

Reazione irreversibile: non si può tornare allo stato iniziale della reazione

Velocità di reazione

La velocità di una reazione chimica che ha luogo in un sistema omogeneo è espressa della quantità di reagente consumata nell'unità di tempo e nell'unità di volume del sistema reagente.

r_A = + 1/V dN_A/dt

N_A è il numero di moli della generica specie A

V è il volume all'interno del quale ha luogo la reazione

C_A = N_A/V è la concentrazione molare

Supponendo che le reazioni avvengano a volume costante (dV/dt = 0)

Reazioni omogenee

La velocità di reazione è pari alla variazione della concentrazione nel tempo: r_A = + dC_A/dt

Reazioni eterogenee

La velocità di reazione è la variazione nel tempo del numero di moli della specie considerata per unità di superficie: r_A = - 1/S dN_A/dt

S è l'area della superficie d'interfaccia

Considerato A un reagente, la velocità di reazione è funzione delle variabili di stato del sistema considerato: r_A = - 1/V dN_A/dt = f(temp., press., composit.)

per sistemi in equilibrio

r_A = f(temp., compos.)

Per molte reazioni i termini dell'eq. cinetica della temperatura e della composizione sono completamente separati: l'uno dall'altro, quindi:

r_A = K f(composizione)

dove K è la costante di velocità

Ordine di reazione

Reazione elementare r = -K C_A C_B (A + B -> C)

Reazione non elementare r = K C_A^α C_B^β (ν_AA + ν_BB -> ν_CC)

La dipendenza dalla concentrazione viene espressa con l'ordine di reazione m, ossia la somma degli esponenti delle singole concentrazioni dell'equazione

m = α + β

Dunque, data una generica specie A, la sua velocità di trasformazione è:

r_A = -K_(A) C_A^α

I caso, α = 0, reazione di ordine 0

r_A