Transcript: Legea vitezei de reacţie

Am văzut lecția trecută care sunt condițiile pe care trebuie să le îndeplinească particulele chimice dintr-un sistem
pentru a da ceochniile eficace și astfel pentru ca o reacție chimică să aibă loc.
Deci presupunem că avem niște particule care sunt orientate favorabil și îndeplinesc și condiția energetică.
Acum reacția ar trebui să desfășoare fără probleme, nu?
Ei bine, da și nu.
Reacția va avansa, însă viteza de reacție va varia foarte tare, de la extrem de rapid la extrem de încet.
Dacă măsurăm viteza de reacție în două momente diferite ale reacției, cel mai probabil vom obține valori diferite.
Dacă valorile sunt egale, înseamnă că reacția a atins echilibru.
Știm că, practic, viteza de reacție reprezintă viteza cu care concentrațiile reactanților scad în timp.
Sau viteza cu care concentrațiile produșilor cresc în timp.
Viteza de reacție poate fi determinată numai experimental,
prin tot felul de metode practice care permit oamenilor de știință să măsoare concentrațiile din sistem în diferite momente ale reacției.
Viteza unei reacții depinde de variabile pe care noi le putem controla.
Avem, de exemplu, presiunea, temperatura sau prezența catalizatorilor, dar mai ales concentrația reactanților.
Haideți să privim această imagine.
Este clar că particulele din partea dreapta a imaginii au mai multe șanse de a se ciocni eficați.
Creșterea concentrației unui reactant înseamnă creșterea numărului de particule reactante și, în consecință, creșterea numărului de ciocnire eficață în unitatea de timp.
Iar un număr mare de ciocnire eficață în unitatea de timp înseamnă, logic, o viteză de reacție mai mare.
Așadar, creșterea concentrației reactanților determină creșterea vitezei de reacție.
Putem exprima matematic această dependență a vitezei de reacție de concentrația reactanților printr-o relație în unită legea vitezei de reacție.
Deci, legea vitezei de reacție descrie relația matematică dintre concentrațiile inițiale ale reactanților și viteza de reacție la care aceștia reacționează.
Și vom scrie în acest fel legea vitezei pentru o reacție de această formă.
V este viteza de reacție, care este egală cu constantă K, anumită constanta de viteză, înmulțită cu concentrațiile fiecărui reactant în parte.
Concentrațiile reactanților sunt ridicate la o anumită putere. În indice A și în indice B sunt ordinele parțiale de reacție în raport cu A și, respectiv, în raport cu reactantul B.
Observăm că, de data aceasta, ne interesează numai reactanții, nu și produșii. Acești exponenți, adică ordinele parțiale de reacție, dau bătăi de cap până și oamenilor de știință pentru că pot fi determinați numai experimental.
E destul de complicat, dar cred că le putem da de cap. Știm că, pe măsură ce o reacție se desfășoară, concentrația reactanților se schimbă.
Apoi am văzut că viteza la care reacția se desfășoară depinde de concentrația reactanților. De aceea e logică, pe măsură ce reacția evoluează, viteza de reacție variază în funcție de cum variază concentrația reactanților.
Așadar, ordinul de reacție în raport cu un reactant.
Deci, ordinul parțial de reacție îi arată în ce manieră variază viteza de reacție cu variația concentrației acelui reactant.
Legea vitezei de reacție, cât și ordinele de reacție, sunt, după cum am mai zis, determinate experimental și nu pot fi deduse din ecuația reacției chimice.
Oamenii de știință au observat că viteza unei reacții este proporțională cu concentrațiile reactanților ridicate la o anumită putere.
Deci putem spune, cu alte cuvinte, că o lege a vitezei de reacție este o ecuație care exprimă viteza de reacție ca o funcție de concentrațiile tuturor speciilor prezente în sistemul chimic la un moment dat.
Ordinul total de reacție, pe care îl notăm cu N, se obține prin adunarea ordinelor parțiale de reacție.
Deci, în cazul nostru, N-a plus N-b este egal cu N.
Ordinul de reacție nu e neapărat un număr întreg.
Multe reacții în fază gazoasă au ordini de reacție fracționar.
De exemplu, o reacție care are această lege a vitezei de reacție are ordinul parțial de reacție în raport cu a, egal cu 1 pe 2.
Ordinul parțial de reacție în raport cu b, egal cu 1.
Iar ordinul total a reacției este 3 pe 2.
Faptul că ordinul parțial de reacție în raport cu b este egal cu 1 se traduce în limbajul legilor vitezei de reacție în felul următor.
De câte ori crește concentrația reactantului b, de atâtea ori crește și viteza de reacție.
Deci, acest 1 înseamnă că viteza de reacție variază direct proporțional cu concentrația reactantului b.
Cu un ordin de reacție 1 e simplu, însă fiecare ordin de reacție are o significație diferită.
Haideți să luăm un exemplu.
Avem aici reacția dintre monoxidul de azot și hidrogen, care duce la obținerea azotului și a apei.
Pentru că această reacție să aibă loc, știm că moleculele de monoxid de azot și cele de hidrogen trebuie să se ciocnească într-un anume fel și să aibă suficientă energie cât să activeze reacția.
Dar moleculele noastre îndeprinesc atât condiția energetică cât și condiția afgeometrică și astfel reacția are loc.
Însă, după cum am zis și la începutul lecției, viteza de reacție o să varieze extrem de mult de la foarte, foarte repede la foarte, foarte încet.
Și aici intervine legea vitezei de reacție pentru reacția noastră.
Acum trebuie să ne lemurim de unde vin aceste ordine parțiale de reacție.
După cum știm, ele pot fi determinate numai experimental.
Să presupunem acum că facem această reacție în câteva moduri diferite, varind concentrațiile reactanților și de fiecare dată calculăm viteza de reacție, adică viteza la care concentrațiile reactanților scade.
Practic facem mai multe experimente cu aceeași reacție.
Să zicem că în primul experiment am obținut o viteză de reacție de 0.006 mol pe litru ori secundă.
Pentru al doilea experiment folosim o cantitate dublă de hidrogen față de experimentul 1, deci avem o concentrație de două ori mai mare de hidrogen decât în primul experiment.
De această dată viteza de reacție este de 0.012 mol supra litru ori secundă.
Așadar, viteza de reacție este și ea de două ori mai mare.
Vedem că, dublând concentrația hidrogenului, s-a dublat și viteza de reacție.
Asta înseamnă că viteza și concentrația hidrogenului se schimbă la fel, sunt direct proporționale.
În legea vitezei de reacție exprimăm ceea ce tocmai am aflat, prin ridicarea la puterea 1 a concentrației de hidrogen.
Să mai facem un experiment cu această reacție.
Folosim cantitatea inițială de hidrogen, însă de această dată dublăm concentrația monoxidului de azot.
Folosind aceste cantități, obținem o viteză de reacție de 0.048 mol pe litru ori secundă.
Așadar, vedem că, dublând cantitățile de monoxid azot care participă la reacție, viteza reacției s-a mărit de 8 ori.
În termenii matematici legați de legea vitezei de reacție,
asta se exprimă prin ridicarea la cub, sau la puterea 3-a, a concentrației reactantului în legea vitezei de reacție.
Și astfel am obținut legea vitezei de reacție pentru reacția noastră.
Există și alte reacții chimice care au legea vitezei de reacție de această formă.
Vedem că aceste reacții au ordinul total de reacție 4.
Suma celor două ordine parțiale de reacție în raport cu reactanții este 3 plus 1, 4.
De fapt, reacțiile cu acest ordin de reacție 4 nu sunt chiar așa de numeroase.
Cel mai frecvent întâlnim reacții de ordinul 0, 1 și 2.
Însă, în toate cazurile, ordinul de reacție este calculat prin astfel de experimente.
Dacă pentru o reacție de forma A plus B produci de reacție,
avem o lege a vitezei de reacție în care ordinile parțiale de reacție N-A respectiv N-B
sunt egale cu coeficiențe stoichiometrici corespunzători,
asta înseamnă că avem de-a face cu o reacție foarte simplă care decurge exact cum ne arată ecuația reacției.
Un număr a mic de molecule de reactant A se ciocnesc cu un număr b mic de molecule de reactant B
iar după ciocnire obținem direct produsii de reacție.
Însă, ordinele parțiale de reacție au destul de rare aceleași valori cu coeficiențe stoichiometrici care descriu ecuația reacției.
De obicei, ordinele parțiale de reacție nu sunt egale cu coeficiențe stoichiometrici.
Asta înseamnă că reacția este una mai complexă și decurge prin mai multe etape,
deci are un mecanism mai complex decât cel indicat de ecuația reacției.
Așadar, de obicei, ecuația unei reacții arată numai substanțele inițiale și produsii în care acestea se transformă de-a lungul unei reacții chimice,
fără să arate și toate etapele care duc la acea transformare.
Spre exemplu, când are loc reacția despre care am vorbit mai devreme,
de fapt este nevoie de trei etape pentru ca produsii de reacție să se formeze.
Mai întâi, monoxidul de azot și o moleculă de hidrogen formează o moleculă de apă și un atom de azot,
apoi azotul se combină cu o altă moleculă de monoxid de azot, formându-se astfel o moleculă de azot și oxigen elemental,
și într-un final, acel atom de oxigen elemental se combină cu o altă moleculă de hidrogen și formează o moleculă de apă.
Deci reacția are un mecanism ceva mai complex decât cel indicat de ecuația sa.
Știind legea vitezei de reacție, putem prezice compoziția unui amestec de reacție la un stadiu mai avansat al acesteia,
deci practic, legea vitezei unei reacții este un ghid pentru descifrarea mecanismului acelei reacții.
Așadar, studiul vitezelor de reacție și al formei legii vitezei de reacție pentru fiecare reacție duce la înțelegerea etapelor prin care decurg reacțiile chimice.