Viteza de reacţie

Atunci când o reacție chimică are loc, atomii sau moleculele se plimbă prin sistem și din când în când se ciocnesc.

Dacă ciocnirile au loc exact așa cum trebuie, adică într-o anume parte a atomilor și exact între perechile de atom sau molecule care pot reacționa,

atunci reacția chimică va avea loc și, dacă îndeajuns de multe molecule sau atomi din sistem reacționează,

atunci concentrația reactanților va scădea iar concentrația produșilor va crește.

Însă o ciocnire eficace care să ducă la o reacție chimică trebuie să îndeplinească anumite condiții.

O moleculă care se ciocnește de o alta nu duce neapărat la o reacție chimică.

Cinetica chimică este domeniul chimiei care studiază fix aceste ciocniri și mai precis cum anume influențează ele viteza de reacție.

Deci cinetica se ocupă cu studiul desfășurării în timp a reacțiilor chimice

sau cu alte cuvinte se ocupă cu studiul vitezelor de reacție.

Am văzut în capitolul trecut că termochimia studiază felul în care energia, în special energia sub formă de căldură, variază în sistemele chimice

și am văzut că acest lucru ne arată ce condiții unele reacții sunt termodinamic posibile.

Însă unele reacții termodinamic posibile decur cu viteze foarte mici.

Gândiți-vă la fermentație alcoolică.

Durează câteva săptămâni până când se formează alcool din struguri să zicem, asta dacă vrem să facem vin.

Ba, unele reacții sunt atât de lente încât nu sunt deloc utile în practică, în timp ce alte reacții decur cu viteze atât de mari încât de vin periculoase.

De aceea e extrem de important să cunoaștem factorii care influențează viteza unei reacții și cum putem să controlăm această caracteristică.

Știm că la mecanică definim viteza medie de deplasare prin următorul raport.

Avem viteza medie de deplasare a unui obiect mobil pe o distanță ΔD în intervalul de timp ΔT,

iar ΔD este diferența dintre distanța finală și distanța inițială, deci distanța este mărimea care variază odată cu deplasarea obiectului,

iar ΔT este variația timpului.

La fel ca și alte procese care se desfășoară în timp, și reacțiile chimice sunt caracterizate prin viteză pe care o numim viteză de reacție.

Am văzut la începutul lecției că atunci când are loc o reacție chimică, înseamnă că descrește concentrația reactanților și crește concentrația produsurilor de reacție.

Așadar, vedem că în cazul reacțiilor chimice, mărimea care variază în timp este concentrația și anume concentrația reactanților sau concentrația produsurilor de reacție.

Astfel, definim viteza medie de reacție într-un interval de timp ΔT prin acest raport ΔC supra ΔT.

Deci, viteza medie de reacție reprezintă variația concentrației unui reactant sau a unui produs de reacție în unitatea de timp.

Iar unitatea de măsură pentru viteza de reacție este mol pe litru, adică concentrație, totul supra secundă.

Aici, în loc de secundă, putem avea și minut sau oră, în funcție de unitatea în care vrem să exprimăm timpul.

Mol pe litru totul supra secundă înseamnă, de fapt, mol pe litru ori secundă sau mol ori L la puterea minus 1 ori S la minus 1.

Putem exprima viteza medie de reacție fie în funcție de concentrația unui reactant,

fie în funcție de concentrația unui produs de reacție.

Haideți să vedem acum cum putem reprezenta grafic variația acestor concentrații.

Și avem în acest grafic variația concentrației unui reactant, curba roșie, și a unui produs de reacție, curba albastră, în funcție de timp.

Aceasta este reprezentarea grafică a ceea ce am zis mai devreme.

Pe măsură ce o reacție chimică se desfășoară, concentrația reactantului scade în timp, iar a produsului crește.

Să alegem pe grafic un timp T1, timpul inițial al reacției, și un timp T2.

Momentului T1 îi corespunde o concentrație a reactantului, cât și o concentrație inițială a produsului.

La fel și momentului T2 îi corespunde o concentrație finală a reactantului și o concentrație finală a produsului.

E clar de pe grafic că avem concentrația inițială a reactantului mai mare decât cea finală.

La fel vedem de pe grafic că avem concentrația inițială a produsului mai mică decât cea finală.

Astfel, când exprimăm viteza medie de reacție în funcție de concentrația reactantului, aceasta va avea o valoare negativă, o valoare mai mică decât 0.

Asta pentru că această concentrație a reactantului scade în timp.

Când exprimăm viteza medie de reacție în funcție de concentrația produsului, aceasta va avea o valoare pozitivă, deci mai mare decât 0.

Concentrația produsului de reacție crescând în timp.

Însă pentru ca viteza de reacție să fie întotdeauna pozitivă, calculăm viteza medie de reacție în funcție de concentrația reactantului în acest fel.

Adăugăm un minus în fața variației de concentrație, deci acest minus cu minusul de la ΔCr o să ne dea o valoare pozitivă.

În continuare, haideți să luăm ca exemplu o reacție de tipul acesta, unde A și B sunt reactanți, iar C și D sunt produși.

Pentru această reacție vom avea patru viteze de reacție care descriu aceeași reacție, vitezele medie ale reactanților A și B și vitezele medie ale produșilor C și D.

Există o relație matematică între aceste viteze de reacție și anume această relație, unde Va este viteza medie calculată în funcție de concentrația compusului A,

iar Amic este coeficientul stoichiometric al compusului, și tot așa și pentru compusii B, C și D.

Haideți să luăm un exemplu să verificăm egalitatea între aceste raporturi.

Avem aici ecuația reacției de descompunere a pentoxidului de diazol.

Pentru această reacție cunoaștem următoarele date pentru reactant și pentru unul dintre produșii de reacție.

Vedem că reacția începe cu o anume concentrație de reactant, pentoxid de diazol, dar în momentul 0, înainte ca reacția să aibă loc,

nu există în sistem niciun produs de reacție, deci concentrația dioxidului de azot este 0.

Pe măsură ce trece timpul și reacția evoluează, vedem cum scade concentrația pentoxidului și crește concentrația dioxidului de azot.

Haideți să calculăm vitezele medii de reacție pentru acești compuși în intervalul de timp de 2-4 ore.

Deci vom folosi concentrațiile măsurate în ora a doua de când a punit reacția și în ora a patra.

Viteza medie pentru reactantul nostru este egală cu variația concentrației în intervalul de timp pe care l-am ales.

Și să nu uităm că fiind reactant avem semnul minus în fața raportului pentru a obține o valoare pozitivă.

Deci avem concentrația în momentul final minus concentrația în momentul inițial din intervalul care ne interesează și totul supra T2 minus T1.

Înlocuind cu valorile numerice corespunzătoare din tabel, în a patra ora a reacției avem o concentrație de pentoxid de diazot de 0,42 mol pe litru,

iar în a doua ora a reacției avem o concentrație de 0,8 mol pe litru și totul supra 4 ore minus 2 ore.

Efectuăm calculul și am obținut o viteză medie de 0,19 mol pe litru orioră.

Și la fel calculăm și viteza medie în funcție de dioxidul de azot, care este un produs de reacție.

În acest caz nu mai avem nevoie de semnul minus în fața raportului.

Efectuăm calculul cu valorile corespunzătoare din tabel și obținem o viteză de reacție de 0,38 mol pe litru orioră.

Acum că am calculat valorile acestor viteze medie de reacție, putem verifica relația de care vorbeam mai devreme.

Deci să vedem dacă aceste raporturi sunt egale.

2 și 4 sunt coeficiențe de reacție corespunzători din ecuația reacției.

Am avea primul raport egal cu 0,095.

Și al doilea raport este egal tot cu 0,095.

Vedem așadar că, într-adevăr, este egalitate între aceste rapoarte care descriu aceeași reacție.

După cum am zis și la începutul lecției, unele reacții au viteze foarte mari și sunt instantanee, iar altele au viteze foarte mici.

Așadar, putem clasifica reacțiile chimice în funcție de viteza de reacție.

Reacțiile rapide sunt cele care au un timp de reacție foarte scurt, de câteva secunde.

Viteza acestor reacții este determinată mai degrabă de viteza cu care reactanții difuzează până când vin în contact.

Deci când vin în contact, reacționează imediat.

Reacții rapide sunt reacțiile dintre ion sau reacțiile dintre acis și baze.

Avem de exemplu această reacție, dintre acidul clorhidric și hidroxidul de sodiu.

Alte reacții care au loc extrem de repede sunt reacțiile de combustie ale unor hidrocarburi, care pot decurge chiar și cu explozie.

Apoi avem reacțiile cu viteză moderată, care au un timp de reacție relativ scurt, de câteva minute.

De exemplu, reacția dintre zinc și o soluție de acid clorhidric.

Durează câteva minute până când se degajă hidrogenul format în reacții.

Reacțiile lente

Sunt reacțiile cu timp de reacție mai lung, de câteva ore sau chiar câteva zile.

De obicei, reacții lente sunt reacțiile în care se desfac sau se formează legăturile covalente.

Legăturile covalente se desfac mai greu, iar moleculele formate din astfel de legături prezintă o anumită inerție chimică.

De exemplu, combustibili, detergenții, alimentele și multe alte substanțe organice pot fi păstrate în contact cu oxigenul din aer, numai datorită inerției moleculelor care le formează.

Un alt exemplu de reacție lentă este rugineria fierului.

Cu toții știm că durează destul de mult timp până când apar petele de rugină.

Sau, dacă vreți exemplul unei reacții extrem, extrem de lente, gândiți-vă la combustibilii fosili.

Se știe deja că riscăm ca în câteva decenii să ipuizăm toate resursele de cărbune, petrol și gaze naturale.

Și acest lucru reprezintă o problemă majoră pentru toată omenirea, pentru că aceste resurse nu sunt regenerabile.

Asta pentru că a durat între câteva milioane și câteva sute de milioane de ani, pentru ca plantele și animalele acvatice de pe vremea aceea să se transforme în combustibili fosili.

Așadar, vedem că reacția de carbonizare a plantelor și animalelor este una extrem de lentă.

Și din această cauză, una din principalele preocupări ale oamenilor de știință la ora actuală este dezvoltarea tehnologiilor care produc energie cu ajutorul unei resurse regenerabile, precum soarele sau vântul.

Lecția aceasta am văzut că baza cineticii chimice stă în concentrațiile reactanților și ale produșilor la diferite momente după ce o reacție a fost inițiată.

Viteza de reacție este determinată experimental. Ea nu poate fi calculată din variația energiei sau din variația oricărui alt factor termodinamic.

Există mai multe tehnici de măsurare a vitezelor de reacție, între care spectrofotometria, spectroscopia de emisie și spectroscopia de masă sau rezonanța magnetică nucleară.

Rezultatele acestor măsurători arată că vitezele de reacție depind într-un fel caracteristic de concentrațiile reactanților și de concentrațiile produșilor și pot fi exprimate prin anumite ecuații care sunt de fapt expresii ale legii vitezei de reacție.

Deci cinetica chimică se ocupă cu determinarea vitezelor de reacție, de unde derivă legea vitezei de reacție și constantele de viteză.

Despre toate acestea vom vorbi mai în detaliu într-una din lecțiile următoare.