Ordine di reazione: grafici

L’ordine di reazione da cui si ottiene le legge della velocità deve essere determinato sperimentalmente e non può essere previsto dalla stechiometria della reazione. L’ordine di una reazione chimica può avere valori positivi, negativi o nullo.

Si tenga inoltre presente che nella legge di velocità può o meno includere la concentrazione di tutti i reagenti ed inoltre in essa può essere inclusa la concentrazione di specie che non sono presenti nella stechiometria della reazione come, ad esempio, quella del catalizzatore.

L’ordine di reazione studia come la velocità di una reazione è influenzata dalla concentrazione di ciascun reagente nella reazione. Gli studi riguardano la variazione della concentrazione (reagenti) rispetto alla velocità di reazione.

La velocità di una reazione è proporzionale alla concentrazione dei reagenti, ciascuna elevata a una potenza; la somma delle potenze è detta ordine di reazione
Nell’equazione cinetica:
v = k [A]^x[B]^y[C]^z
k è la costante di velocità e x, y e z sono gli ordini rispetto ad A, B e C.

La somma delle potenze è detto ordine di reazione, pertanto l’ordine di una reazione è dato dalla somma x + y + z.

A seconda dell’ordine di reazione, le reazioni chimiche possono essere classificate come reazioni di ordine zero, del primo, del secondo e del terzo ordine. Lo scienziato tedesco Ludwig Ferdinand Wilhelmy fu il primo nel 1850 a studiare la cinetica delle reazioni.

Diversi valori dell’ordine di reazione

Reazioni di ordine zero

Un esempio di reazione di ordine zero è la decomposizione dell’ammoniaca in presenza di oro o molibdeno quali catalizzatori:

2 NH_3(g) ⇄ N_2(g) + 3 H_2(g)

In cui v = k [NH₃]^o ovvero v = k

In tali reazioni la velocità non dipende dalla concentrazione del reagente che, nel corso di essa si consuma sempre alla stessa velocità fino alla sua completa scomparsa.

Nelle reazioni di ordine zero poiché v = – d[A]/dt = k[A]^o = k l’unità di misura di k è data da M/s ovvero mol/L x s:
k : [mol L^-1 s^-1]

Reazioni del primo ordine

Nelle reazioni del primo ordine l’ordine della reazione è uno come, ad esempio, la decomposizione termica del pentossido di diazoto:

N₂O_5(g) ⇄ N₂O_4(g) + ½ O_2(g)

In cui v = k [N₂O₅]

In una reazione del primo ordine la velocità dipende solo dalla concentrazione di uno dei reagenti e l’equazione che descrive una cinetica di tale tipo è:

v = – d[A]/dt = k [A]¹= k[A]

In tali reazioni l’unità di misura di k è s^-1.

Il decadimento di isotopi radioattivi avviene secondo una cinetica del primo ordine.

Reazioni del secondo ordine

Nelle reazioni del secondo ordine l’ordine della reazione è due come, ad esempio, la decomposizione termica del monossido di diazoto:

N₂O_(g) ⇄ 2 N_2(g) + O_2(g)

In cui v = k [N₂O]²

Le reazioni del secondo ordine possono avvenire secondo due tipologie di reazioni:

1)      Due molecole dello stesso reagente si combinano in un solo stadio:

A + A → P

ovvero 2 A →P

La velocità di reazione vale pertanto:

v = k [A][A] = k[A]²

quindi raddoppiando la concentrazione di A la velocità della reazione quadruplica. In tale tipo di reazione può essere presente anche un altro reagente la cui concentrazione, tuttavia, non influenza la velocità della reazione se l’ordine di reazione, rispetto ad esso è zero.

2)      Due reagenti A e B si combinano in un solo stadio:

A + B → P
La velocità di reazione vale pertanto:
v = k [A][B]

in cui l’ordine di reazione vale uno per il reagente A e uno per il reagente B.  ciò implica che raddoppiando la concentrazione di A raddoppia la velocità della reazione. Raddoppiando la concentrazione di A e quadruplicando quella di B la velocità della reazione aumenta di un fattore 8.

In tali reazioni l’unità di misura di k è M^-1 s^-1 ovvero L mol^-1s^-1.

I grafici relativi alla velocità di una reazione in funzione della concentrazione per le reazioni di ordine zero,  del primo e del secondo ordine sono riportati in figura.

Reazioni del terzo ordine

Nelle reazioni del terzo ordine l’ordine della reazione è tre come, ad esempio, la reazione tra monossido di azoto e ossigeno:

2 NO + O₂ ⇄ 2 NO₂
In cui v = k [NO]²[O₂]

Le reazioni del secondo ordine possono avvenire secondo tre tipologie di reazioni:

1)      Tre  molecole dello stesso reagente si combinano in un solo stadio:

A + A + A → P
ovvero 3 A →P
La velocità di reazione vale pertanto:
v = k [A][A][A] = k[A]³

2)      Due molecole di uno stesso reagente si combina con una molecola di un altro reagente in un solo stadio:

2 A + B ⇄ P
La velocità di reazione vale pertanto:
v = k [A]²[ B]

3)      Tre specie reagiscono tra loro:
A + B + C ⇄ P
La velocità di reazione vale pertanto:
v = k [A][B][C]
essendo la reazione del primo ordine rispetto a tutti i reagenti.