A cinética é o ramo da físico-química que estuda a taxa de reações químicas. Em contraste, a termodinâmica nos diz qual direção da reação é favorecida, sem revelar sua taxa de reação. Algumas reações podem ser termodinamicamente favorecidas, mas cineticamente desfavorecidas.
Por exemplo, na conversão de diamante em grafite, a grafite tem uma energia livre mais baixa do que o diamante, então a conversão é termodinamicamente favorecida. No entanto, há uma grande barreira de ativação para o diamante quebrar e reformar todos os laços para mais configuração de grafite estável, portanto, essa reação é cineticamente desfavorável e não ocorrerá de fato.
Taxa de reação
O taxa de reação é uma medida de quão rápido os produtos são formados e os reagentes são consumidos, então você pode determinar medindo a mudança na concentração de produtos ou reagentes, ao longo de um período de tempo. Considere uma reação química geral:
aA + bB> cC + dD
A taxa de reação pode ser escrita como:
•••Modificado de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates
Por exemplo, a taxa de reação para:
2 NO (g) + 2 H2 (g)> N2(g) + 2 H2O (g)
É dado por
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Para determinar a taxa dessa reação por experimento, você pode medir a concentração de H2 em diferentes momentos da reação, e faça um gráfico em relação ao tempo da seguinte forma:
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O taxa média de reação é uma aproximação da taxa de reação em um intervalo de tempo e pode ser denotada por:
•••Modificado de https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate
O taxa instantânea de reação é definido como a taxa de reação em algum instante no tempo. É uma taxa diferencial e pode ser expressa por:
•••Modificado de https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate
Onde d [H2] / dt é a inclinação da curva de concentração de H2 versus tempo no tempo t.
O taxa inicial de reação é a taxa instantânea no início da reação, quando t = 0. Neste caso, o unidade para a taxa de reação média, instantânea e inicial é M / s.
Lei de taxas
Na maioria dos casos, a taxa de reação depende da concentração dos vários reagentes no tempo t. Por exemplo, em uma concentração mais alta de todos os reagentes, os reagentes colidem com mais frequência e resultam em uma reação mais rápida. A relação entre a taxa de reação ν (t) e as concentrações é definida como o lei de taxa. E a lei da taxa para a reação química geral aA + bB> cC + dD é:
•••Modificado de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Ancillary_Materials/Laboratory_Experiments/Wet_Lab_Experiments/General_Chemistry_Labs/Online_Chemistry_Lab_Manual/Chem_12_Experiments/01%3A_Chemical_Kinetics_-_The_Method_of_Initial_Rates_(Experiment)
Onde k é a constante de taxa, e a potência x e y é o pedido da reação em relação ao reagente A e B. A lei da taxa deve ser determinada experimentalmente e não pode ser deduzida apenas da estequiometria de uma reação química balanceada.
Método de taxas iniciais
A lei da taxa pode ser determinada pelo método das taxas iniciais. Neste método, o experimento é realizado várias vezes, alterando apenas a concentração de um reagente para cada execução, enquanto mantém outras variáveis constantes. A taxa da reação é medida para cada execução para determinar a ordem de cada reagente na lei da taxa.
Por exemplo, considere os seguintes dados de taxa inicial para a reação:
2 NO (g) + 2 H2 (g)> N2(g) + 2 H2O (g)
•••Adaptado de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
Para os ensaios 1 e 3, a concentração de NO é mantida constante enquanto a concentração de H2 é duplicado. Como resultado, a taxa inicial de reação também dobrou (pense nisso como 21), então você pode concluir y = 1. Para os ensaios 1 e 2, a concentração de NO é dobrada enquanto a concentração de H2 permanece constante. O resultado dessa mudança é que a taxa inicial quadruplicou (pense nisso como 22). Você pode, portanto, concluir x = 2.
A lei da taxa para esta reação é, portanto:
•••Adaptado de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
E a reação é primeira ordem em H2 e segunda ordem em NO.