Cinetica chimica

Cinetica chimica

Lo studio della velocità delle reazioni chimiche prende il nome di cinetica chimica. Mentre la termodinamica ci si occupa solo dello stato iniziale e di quello finale delle reazioni, la cinetica si interessa proprio del percorso e dei cambiamenti che si verificano nel corso delle reazioni e la velocità di ogni stadio. Per descrivere l’andamento dei processi si utilizzano le leggi cinetiche. Queste trovano due utilizzi principali:

• Permettono di prevedere la concentrazione di reagenti e prodotti in qualsiasi momento della reazione.
• Permettono di capire il modo in cui le reazioni si svolgono a livello molecolare.

Si definisce velocità della reazione l'aumento della concentrazione dei prodotti o la diminuzione della concentrazione dei reagenti nell'unità di tempo. Dato che il trascorrere del tempo può mutare, si parla di velocità di reazione media come del cambiamento di concentrazione molare di un reagente R, Δ[R] = [R]_t2 – [R]_t1/ Δt. R = - Δ[R] / Δt dato che nel corso della reazione i reagenti si consumano, la concentrazione molare di R diminuisce progressivamente; di conseguenza Δ[R] è negativa, il segno meno nell’equazione assicura che la velocità risulti positiva. Se si segue la concentrazione di un prodotto P, la velocità sarà espressa nella forma: R = Δ[P] / Δt. La variazione del tempo è una quantità positiva perché i prodotti si formano progressivamente. Per evitare l’ambiguità dei vari modi di riportare la velocità di reazione si può riportare un’unica velocità media senza specificare la specie. La velocità media unica della reazione aA + bB ⇌ cC + dD è una qualsiasi delle seguenti quattro quantità:

• V_{media unica} = - 1/a ΔA/Δt = - 1/b ΔB/Δt = 1/c ΔC/Δt = 1/d ΔD/Δt.

Questa velocità dipende dai coefficienti che servono a bilanciare l’equazione, quindi, nel riportarla, occorre specificare la reazione chimica. La maggior parte delle reazioni rallenta a mano a mano che si consumano reagenti. Per determinare la velocità in un dato istante si determina la pendenza della tangente al grafico della concentrazione in funzione del tempo nell’istante di interesse. Questa pendenza è detta velocità istantanea della reazione. Le formule sono simili a quelle per la velocità media e la velocità media unica, solo che non vi è la variazione dei reagenti e dei prodotti sulla variazione di tempo, ma si può considerare di reiterare il calcolo fino a quando quest’ultima sia divenuta infinitamente piccola e la variazione dei reagenti e dei prodotti sia divenuta anch’essa infinitesima.

R = - d[R] / dt R = d[P] / dt - 1/a dA/dt = - 1/b dB/dt = 1/c dC/dt = 1/d dD/dt

Leggi cinetiche e ordine di reazione

L’andamento dei dati relativi alla velocità di reazione può spesso essere identificato esaminando la velocità iniziale di reazione, cioè la variazione istantanea della concentrazione si una specie nell’istante in cui ha inizio la reazione. Il vantaggio nel prendere in considerazione la velocità iniziale, è che i prodotti presenti in fase più avanzata potrebbero influire sulla velocità, al principio non vi sono prodotti e ciò facilita il riconoscimento dell’eventuale andamento determinato dai reagenti. Prendendo in considerazione la reazione:

 2N₂O₅ ⇌ 4NO₂ + O₂

Se ne può ricavare la velocità della reazione all’istante 0 tramite la formula: v = k*[N₂O₅]_iniziale. La costante k, detta costante cinetica, è caratteristica della reazione e dipende dalla temperatura a cui si esegue la reazione. Secondo la legge cinetica la velocità di consumo dipende da una costante k, che non dipende dalla concentrazione dei reagenti ma dalla temperatura. V = k[A]^m[B]ⁿ dove m ed n sono due numeri interi o frazionari che vanno determinati sperimentalmente e non dipendono dai coefficienti stechiometrici, la velocità dipende dal meccanismo di reazione. L’unico caso in cui l’ordine della reazione coincide con la stechiometria della reazione è quando la reazione avviene in un unico stadio.

Reazioni di primo ordine

3 H ⇌ 3He + β^- Il decadimento radioattivo del tritio è un processo...