La cinetica è la branca della chimica fisica che studia la velocità delle reazioni chimiche. Al contrario, la termodinamica ci dice quale direzione della reazione è favorita, senza rivelare la sua velocità di reazione. Alcune reazioni possono essere termodinamicamente favorite ma cineticamente sfavorevoli.
Ad esempio, nella conversione del diamante in grafite, la grafite ha un'energia libera inferiore rispetto al diamante, quindi la conversione è favorita termodinamicamente. Tuttavia, esiste una grande barriera di attivazione per il diamante per rompere e riformare tutti i legami verso di più configurazione stabile della grafite, quindi questa reazione è cineticamente sfavorevole e non si verificherà effettivamente.
Tasso di reazione
Il velocità di reazione è una misura della velocità con cui si formano i prodotti e si consumano i reagenti, quindi è possibile determinarla misurando la variazione della concentrazione dei prodotti o dei reagenti, in un periodo di tempo. Consideriamo una reazione chimica generale:
aA + bB > cC + dD
La velocità di reazione può essere scritta come:
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Ad esempio la velocità di reazione per:
2 NO(g) + 2 H2 (g) > N2(g) + 2 H2O(g)
è dato da
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Per determinare la velocità di questa reazione sperimentalmente, puoi misurare la concentrazione di H2 in momenti diversi della reazione e tracciarla rispetto al tempo come segue:
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Il velocità media di reazione è un'approssimazione della velocità di reazione in un intervallo di tempo e può essere indicata con:
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Il velocità di reazione istantanea è definita come la velocità di reazione in un determinato istante nel tempo. È un tasso differenziale e può essere espresso da:
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dove d[H2]/dt è la pendenza per la curva di concentrazione di H2 rispetto al tempo al tempo t.
Il velocità iniziale di reazione è la velocità istantanea all'inizio della reazione, quando t = 0. In questo caso, il unità per la velocità di reazione media, istantanea e iniziale è M/s.
Legge sui tassi
Nella maggior parte dei casi, la velocità di reazione dipende dalla concentrazione dei vari reagenti al tempo t. Ad esempio, in una concentrazione più elevata di tutti i reagenti, i reagenti si scontrano più frequentemente e danno luogo a una reazione più rapida. La relazione tra la velocità di reazione (t) e le concentrazioni è definita come legge sui tassi. E la legge di velocità per la reazione chimica generale aA + bB > cC + dD è:
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Dove k è la costante di velocità e la potenza x e y è la ordine della reazione rispetto ai reagenti A e B. La legge della velocità deve essere determinata sperimentalmente e non può essere dedotta solo dalla stechiometria di una reazione chimica bilanciata.
Metodo delle tariffe iniziali
La legge sui tassi può essere determinata dal metodo dei tassi iniziali. In questo metodo, l'esperimento viene eseguito più volte, cambiando solo la concentrazione di un reagente per ogni corsa mantenendo costanti le altre variabili. La velocità della reazione viene misurata per ciascuna corsa per determinare l'ordine di ciascun reagente nella legge della velocità.
Ad esempio, considera i seguenti dati sulla velocità iniziale per la reazione:
2 NO(g) + 2 H2 (g) > N2(g) + 2 H2O(g)
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Per le prove 1 e 3, la concentrazione di NO viene mantenuta costante mentre la concentrazione di H2 è raddoppiato. Di conseguenza, anche la velocità iniziale di reazione è raddoppiata (pensatela come 21), quindi puoi concludere y = 1. Per le prove 1 e 2, la concentrazione di NO è raddoppiata mentre la concentrazione di H2 rimane costante. Il risultato di questo cambiamento è che il tasso iniziale è quadruplicato (pensatelo come 22). Puoi quindi concludere x = 2.
La legge di velocità per questa reazione è quindi:
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E la reazione è primo ordine in H2 e secondo ordine nel n.