Cinetica reacțiilor chimice – Vitezele reacțiilor chimice

Figura 12.1 O șopârlă agama stă la soare. Pe măsură ce corpul său se încălzește, reacțiile chimice ale metabolismului său se accelerează.

Șopârla din fotografie nu se bucură pur și simplu de soare sau e interesată de bronzul său. Căldura de la razele soarelui este esențială pentru supraviețuirea șopârlei. O șopârlă caldă se poate mișca mai repede decât una rece, deoarece reacțiile chimice care îi permit mușchilor să se miște au loc mai rapid la temperaturi mai ridicate. O șopârlă rece este o șopârlă mai lentă și o masă mai ușoară pentru prădători.

De la coacerea unei prăjituri până la determinarea duratei de viață utilă a unui pod, vitezele reacțiilor chimice joacă un rol important în înțelegerea noastră a proceselor care implică modificări chimice. Două întrebări sunt de obicei puse atunci când intenționați să evaluați o reacție chimică. Prima este: „Reacția va dezvolta produsele dorite în cantități utile?” A doua întrebare este: „Cât de rapid va avea loc reacția?” O a treia întrebare este adesea pusă atunci când investighăm reacțiile în detaliu: „Ce procese specifice la nivel molecular au loc pe măsură ce are loc reacția?” Cunoașterea răspunsului la această întrebare este de importanță practică atunci când randamentul sau viteza unei reacții trebuie controlată.

Studiul cineticii chimice se referă la a doua și a treia întrebare, adică viteza cu care o reacție dă produse și mijloacele la scară moleculară prin care are loc o reacție. Acest capitol examinează factorii care influențează vitezele reacțiilor chimice, mecanismele prin care au loc reacțiile și tehnicile cantitative utilizate pentru a descrie vitezele la care au loc reacțiile.

O rată este o măsură a modului în care o anumită proprietate variază în timp. Viteza este o rată familiară care exprimă distanța parcursă de un obiect într-o anumită perioadă de timp. Salariul este o rată care reprezintă suma de bani câștigată de o persoană care lucrează pentru o anumită perioadă de timp. De asemenea, viteza unei reacții chimice este o măsură a cât de mult reactant este consumat sau cât de mult produs este produs de reacție într-o anumită perioadă de timp.

Viteza de reacție este modificarea cantității de reactant sau produs pe unitatea de timp. Vitezele reacțiilor chimice sunt deci determinate prin măsurarea dependenței de timp a unor proprietăți care pot fi legate de cantitățile de reactant sau de produs. Vitezele reacțiilor care consumă sau produc substanțe gazoase, de exemplu, sunt determinate convenabil prin măsurarea modificărilor de volum sau presiune. Pentru reacțiile care implică una sau mai multe substanțe colorate, vitezele pot fi monitorizate prin măsurători ale absorbției luminii. Pentru reacțiile care implică electroliți apoși, vitezele pot fi măsurate prin modificări ale conductivității unei soluții.

Pentru reactanți și produși în soluție, cantitățile (concentrațiile) lor relative sunt utilizate în mod convenabil în scopul exprimării vitezei de reacție. De exemplu, concentrația de peroxid de hidrogen, H₂O₂, într-o soluție apoasă, se modifică lent în timp pe măsură ce se descompune conform ecuației:

2H₂O₂(ap) → 2H₂O(l) + O₂(g)

Viteza cu care peroxidul de hidrogen se descompune poate fi exprimată în termeni de viteza de modificare a concentrației sale, așa cum se arată aici:

viteza de descompunere a H2O2 = − modificarea concentrației reactantului / intervalul de timp

= − ([H₂O₂]_t2 − [H₂O₂]_t1)/(t₂ − t₁)

= −Δ[H₂O₂]/Δt

Această reprezentare matematică a modificării concentrației speciilor în timp este expresia vitezei pentru reacție. Parantezele indică concentrațiile molare, iar simbolul delta (Δ) indică „schimbare în”. Astfel, [H₂O₂]_t1 reprezintă concentrația molară de peroxid de hidrogen la un moment dat t₁; de asemenea, [H₂O₂]_t2 reprezintă concentraţia molară de peroxid de hidrogen la un moment ulterior t₂; iar Δ[H₂O₂] reprezintă modificarea concentrației molare a peroxidului de hidrogen în intervalul de timp Δt (adică t₂ − t₁). Deoarece concentrația de reactant scade pe măsură ce reacția continuă, Δ[H₂O₂] este o cantitate negativă. Vitezele de reacție sunt, prin convenție, cantități pozitive și astfel această modificare negativă a concentrației este înmulțită cu −1. Figura 12.2 oferă un exemplu de date colectate în timpul descompunerii H₂O₂.

Figura 12.2 Viteza de descompunere a H₂O₂ într-o soluție apoasă scade pe măsură ce concentrația de H₂O₂ scade.

Pentru a obține rezultatele tabulate pentru această descompunere, concentrația de peroxid de hidrogen a fost măsurată la fiecare 6 ore pe parcursul unei zile la o temperatură constantă de 40 °C. Vitezele de reacție au fost calculate pentru fiecare interval de timp, împărțind modificarea concentrației la incrementul de timp corespunzător, așa cum se arată aici pentru prima perioadă de 6 ore:

−Δ[H₂O₂]/Δt = −(0,500 mol/L − 1,000 mol/L)/(6,00 h − 0,00 h) = 0,0833 molL⁻¹h⁻¹

Observați că vitezele de reacție variază în timp, scăzând pe măsură ce reacția continuă. Rezultatele pentru ultimele 6 ore conduc la o viteză de reacție de:

−Δ[H₂O₂]/Δt = −(0,0625 mol/L − 0,125 mol/L)/(24,00 h − 18,00 h) = 0,010 molL⁻¹h⁻¹

Acest comportament indică faptul că reacția încetinește continuu cu timpul. Utilizarea concentrațiilor la începutul și la sfârșitul unei perioade de timp în care viteza de reacție se modifică are ca rezultat calcularea unei viteze medii pentru reacție în acest interval de timp. În orice moment specific, viteza cu care se desfășoară o reacție este cunoscută ca viteza instantanee. Viteza instantanee a unei reacții la „timpul zero”, când începe reacția, este viteza inițială. Luați în considerare analogia unei mașini care încetinește pe măsură ce se apropie de un semn de oprire. Viteza inițială a vehiculului – analogă cu începutul unei reacții chimice – ar fi citirea vitezometrului în momentul în care șoferul începe să apese frânele (t₀). Câteva momente mai târziu, rata instantanee la un anumit moment – numiți-l t₁ – ar fi oarecum mai lentă, așa cum indică citirea vitezometrului în acel moment. Pe măsură ce trece timpul, rata instantanee va continua să scadă până când ajunge la zero, când mașina (sau reacția) se oprește. Spre deosebire de viteza instantanee, viteza medie a mașinii nu este indicată de vitezometru; dar poate fi calculat ca raportul dintre distanța parcursă și timpul necesar pentru oprirea completă a vehiculului (Δt). La fel ca mașina în decelerare, viteza medie a unei reacții chimice va scădea undeva între viteza inițială și cee finală.

Viteza instantanee a unei reacții poate fi determinată într-unul din două moduri. Dacă condițiile experimentale permit măsurarea modificărilor concentrației pe intervale de timp foarte scurte, atunci vitezele medii calculate așa cum s-a descris mai devreme oferă aproximări rezonabil de bune ale vitezelor instantanee. Alternativ, poate fi utilizată o procedură grafică, care, de fapt, dă rezultatele care ar fi obținute dacă ar fi posibile măsurători cu intervale de timp scurte. Într-o diagramă a concentrației de peroxid de hidrogen în timp, viteza instantanee de descompunere a H₂O₂ în orice moment t este dată de panta unei drepte care este tangentă la curba în acel moment (Figura 12.3). Aceste pante ale liniilor tangente pot fi evaluate folosind calculul, dar procedura pentru a face acest lucru depășește scopul acestui capitol.

Figura 12.3 Acest grafic prezintă o diagramă a concentrației în funcție de timp pentru o soluție 1.000 M de H₂O₂. Viteza în orice moment este egală cu negativul pantei unei linii tangente la curbă în acel moment. Tangentele sunt afișate la t = 0 h („viteză inițială”) și la t = 12 h („viteză instantanee” la 12 h).

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2023 MultiMedia Publishing