Come calcolare la velocità di reazione

Una reazione si verifica quando le particelle si scontrano. In questa collisione le particelle trasferiscono energia sufficiente per rompere vecchi legami e crearne di nuovi. Ma come si può definire la velocità con cui si verifica una reazione?

Dai un'occhiata a una semplice reazione come quella qui sotto:

In questa reazione un po' di reagente A viene trasformato in un prodotto B. La velocità di reazione può essere rappresentata da una diminuzione della concentrazione di A nel tempo o dall'aumento di B nel tempo. Questo è scritto:

Poiché A diminuisce nel tempo, davanti a questo tasso c'è un segno negativo. Le tariffe qui espresse sono media tassi perché sono mediati su un certo periodo di tempo.

La velocità di reazione, o la velocità alla quale avviene la reazione, è scritta come la variazione di concentrazione di un reagente o prodotto per variazione di tempo come mostrato sopra.

Per calcolarlo sperimentalmente è necessario monitorare la concentrazione del reagente o del prodotto in funzione del tempo. Una volta che hai misurazioni in momenti diversi, puoi tracciare questi valori e trovare la velocità istantanea della reazione o la pendenza della linea.

Fai finta di guardare la reazione tra A e B, che forma C e D. Ovviamente, la formazione del prodotto dipende sia da A che da B. Ma, aggiungendo un eccesso di uno, diciamo B, puoi assicurarti che il concentrazione di B rimane sostanzialmente costante. In questo modo la variazione della quantità di B non influenzerà la velocità di reazione misurata.

Quindi, puoi tracciare la velocità a diverse concentrazioni di A. Questo ti permetterà di vedere se la velocità è proporzionale alla concentrazione dei reagenti.

Dillo quando complotti tasso vs. concentrazione di A produce una retta. Ciò significa che la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione di A. Di conseguenza, maggiore è la concentrazione di A, maggiore è il tasso.

Questo può essere rappresentato come tale:

La variabile k è nota come costante di velocità. È una costante di proporzionalità tra la velocità della reazione e le concentrazioni dei reagenti. La variabile k è non influenzata dalla concentrazione dei reagenti. È un rapporto tra la velocità e la concentrazione del reagente. Questo valore k è influenzato solo dalla temperatura.

Poiché la concentrazione è misurata in molarità, la variazione di concentrazione è misurata in M ​​mentre il tempo è misurato in secondi. Ciò significa che le unità per k sono solitamente 1/s o s^-1.

Per la stechiometria, reazioni semplici come il rapporto mol/mol tra i componenti è uguale. Ad esempio, quando A si trasforma in B, si perde una mole di A per ogni mole di B prodotta.

Non tutte le reazioni sono così semplici.

Considera la seguente reazione:

Ogni volta che viene prodotto B, vengono utilizzate 3 moli di A. Questo può essere espresso come tale:

In generale, per la reazione:

La tariffa è così calcolata:

Il legge sui tassi esprime la relazione tra la velocità di una reazione e la costante di velocità e le concentrazioni di reagenti elevate a una certa potenza.

Per una reazione generale:

La legge sui tassi si scrive come:

A e B sono le reazioni. k è la costante di velocità. xey sono numeri che deve essere determinato sperimentalmente. Una volta che xey sono noti, l'input di qualsiasi concentrazione di reagente può essere utilizzato per trovare la velocità della reazione.

xey sono importanti perché danno una relazione tra le concentrazioni dei reagenti A e B e la velocità di reazione. Danno anche il ordine di reazione quando sommati. L'ordine di reazione è la somma della potenza a cui vengono elevate le concentrazioni di reagenti nella legge di velocità.

Come discusso sopra, la legge sulla velocità è una relazione matematica che mostra come la variazione della concentrazione dei reagenti influenzi la velocità della reazione. Quindi, come puoi trovare la legge sui tassi?

Dai un'occhiata alla seguente reazione di idrogeno e acido nitrico:

Per trovare l'ordine, è necessario conoscere gli esponenti della legge sui tassi che si scriverebbe:

Ciò richiede l'uso di dati che indichino la concentrazione dei reagenti e la velocità iniziale.

Considera i seguenti dati:

Per trovare l'ordine rispetto a ciascun reagente, inizia trovando gli esperimenti in cui l'altro reagente è mantenuto costante. Ad esempio, per studiare l'ordine rispetto a NO, sarà utile guardare gli Esperimenti 1 e 2 poiché la concentrazione di NO raddoppia ma la concentrazione di H₂ è tenuto costante.

Gli esperimenti 1 e 2 mostrano che raddoppiando la concentrazione di NO, la velocità quadruplica. Scrivi la legge sui tassi per entrambi questi esperimenti come di seguito:

e

Il rapporto tra i due membri a destra dell'equazione è 4, quindi dopo aver diviso la prima equazione per la seconda, ottieni:

Quindi y = 2.

Successivamente, puoi trovare l'ordine rispetto a H₂. Gli esperimenti 2 e 3 indicano che raddoppiando H₂ la concentrazione raddoppia la velocità. Ciò significa che la reazione è del primo ordine in H₂.

Quindi la legge sui tassi è:

Sommando gli esponenti 1 e 2 si ottiene 3 che significa che la reazione è del terzo ordine.

Alcuni punti importanti sulla legge sui tassi:

1. Le leggi grezze non possono essere trovate dall'equazione chimica. Essi devono sempre trovarsi sperimentalmente. Dalle concentrazioni dei reagenti e dalla velocità di reazione iniziale, puoi trovare l'ordine di reazione come mostrato sopra e anche trovare la costante di velocità.
2. Per una legge di tasso di ordine zero il tasso è uguale alla costante di tasso.
3. L'ordine di reazione è sempre definito dalla concentrazione del reagente.
4. L'ordine di un reagente non è correlato al coefficiente stechiometrico nell'equazione chimica bilanciata.

L'ordine di una reazione ti dice come cambia la velocità con la concentrazione del reagente.

Le reazioni del primo ordine sono reazioni la cui velocità dipende dalla concentrazione del reagente elevata alla prima potenza. Ciò significa che quando la concentrazione di un reagente è raddoppiata, anche la velocità è raddoppiata.

Molte reazioni di decomposizione sono del primo ordine. Un esempio è la decomposizione di N₂oh₅:

Le reazioni del secondo ordine sono reazioni la cui velocità dipende dalla concentrazione di un reagente alla seconda potenza o dalle concentrazioni di due reagenti ciascuno alla prima potenza.

Un esempio di una reazione di secondo ordine è la combinazione di iodio per formare iodio molecolare in fase gassosa: