Cinetica delle reazioni chimiche con i relativi esercizi

La cinetica è quella branca della chimica che studia la velocità di una reazione e i fattori che la influenzano.

Lo studio delle reazioni chimiche si propone due obiettivi principali :

1)       Esaminare quali condizioni debbono essere soddisfatte affinché una reazione chimica avvenga spontaneamente. Tale aspetto viene affrontato dalla termodinamica che studia l’aspetto energetico delle reazioni e fornisce la chiave per prevedere la spontaneità di una reazione, ma non ci dà informazioni relative ai tempi in cui avviene la reazione stessa.

2)     Esaminare i fattori che influenzano il tempo necessario affinché una reazione giunga a completezza. Tale aspetto viene affrontato dalla cinetica chimica che considera i due aspetti più significativi ovvero la velocità e il meccanismo della reazione stessa.

Fattori che influenzano la cinetica di una reazione

La cinetica di una reazione dipende dai seguenti fattori:

a)      Natura dei reagenti : alcune reazioni in soluzione avvengono quasi istantaneamente come ad esempio quelle di neutralizzazione e quelle di precipitazione mentre altre sono molto lente.

b)      Concentrazione dei reagenti : affinché una reazione avvenga è necessario che le molecole dei reagenti vengano a contatto tra loro. Quindi maggiore è la concentrazione dei reagenti, più grande risulta la probabilità che esse entrino a contatto tra loro. Ovviamente tale ragionamento è valido se la reazione avviene in fase omogenea; se, invece la reazione avviene in fase eterogenea, cioè se le sostanze reagenti sono presenti in due o più fasi, al fattore concentrazione si deve sostituire il fattore area della superficie di separazione fra le fasi delle sostanze reagenti. Ad esempio se un pezzo di legno brucia lentamente all’aria, il medesimo pezzo di carbone ridotto in pezzi brucerà più velocemente.

c)      Temperatura: un aumento di temperatura generalmente accelera il decorso di una reazione. Come regola generale, del tutto orientativa, l’aumento di 10°C della temperatura fa raddoppiare la velocità di una reazione.

d)      Catalizzatori : alcuni metalli di transizione, in particolare, o alcuni composti che li contengono, accelerano una reazione, senza apparentemente partecipare alla stessa

Legge della velocità delle reazioni chimiche

Consideriamo la reazione fra le sostanze A e B che formano la sostanza C:
a A + b B → c C

A temperatura costante, la dipendenza della velocità di questa reazione dalla concentrazione dei reagenti è data dall’equazione:

v = K [A]^m[B]ⁿ

che esprime matematicamente la legge della velocità della reazione.

v indica la velocità

[A] e [B] indicano le concentrazioni molari dei reagenti

m e n sono due esponenti interi o frazionari

K è una costante che prende il nome di costante specifica della velocità della reazione.

Sia K che m e n possono essere dedotti solo sperimentalmente per la specifica reazione.

I due esponenti m e n esprimono l’ordine della reazione, in quanto m rappresenta l’ordine rispetto ad A e n rappresenta l’ordine di reazione rispetto a B ; la loro somma ( m + n ) esprime l’ordine di reazione globale della reazione.

Si noti che m e n non coincidono con i coefficienti stechiometrici a e b presenti nella reazione bilanciata .

Per determinare sperimentalmente l’ordine di reazione di ciascun reagente e per calcolare la costante specifica della velocità di reazione, si misura nel tempo, la variazione della concentrazione del reagente in esame partendo da quantità note iniziali del medesimo.

Se la sostanza che reagisce è una sola si misura la velocità di comparsa dei prodotti di reazione o la velocità di scomparsa del reagente

Esercizi

1)       Calcolare l’ordine di reazione e la costante specifica di velocità della reazione di decomposizione dell’etanale :

CH₃CHO = CH₄ + CO

Alla temperatura di 518 °C, dai seguenti dati sperimentali:

Dai dati si evince che raddoppiando la concentrazione della sostanza quadruplica la quantità decomposta quindi l’esponente della concentrazione molare è uguale a due:
v = K [CH₃CHO]²

Per calcolare K usiamo la formula:
K = v / [CH₃CHO]²

Sostituendo i dati sperimentali:

K = 1.5 · 10^-7/ (0.150)² = 6.0 · 10^-7/ (0.300)² = 24 · 10^-7/( 0.600)² = 6.7 · 10^-6 L/mol ∙s

2)     Calcolare, ad una data temperatura, l’ordine di reazione rispetto a ciascun reagente e la costante specifica di velocità della seguente reazione:

2 NO + Cl₂ = 2 NOCl

Essendo noti i seguenti dati:

Dai dati sperimentali si rileva che mantenendo costante la concentrazione di NO e raddoppiando quella di Cl₂, risulta che la velocità si raddoppia ( 0.097 ∙2 = 0.19).

Questo significa che l’ordine di reazione rispetto a Cl₂ è uguale a uno ( reazione di primo ordine rispetto a Cl₂. Risulta inoltre che mantenendo costante la concentrazione di Cl₂ e raddoppiando quella di NO la velocità risulta quasi quadruplicata ( 0.19 ∙4 = 0.77) ovvero essa è direttamente proporzionale al quadrato della concentrazione di NO. Questo significa che l’ordine di reazione rispetto a NO è uguale a due ( reazione del secondo ordine rispetto a NO). Pertanto l’equazione della legge di velocità della reazione è:

v = K [Cl₂][NO]²

dalla quale risulta che la reazione è del terzo ordine ( m + n = 1 + 2 = 3)

ricavando K si ha:

K = v / [Cl₂][NO]²

Sostituendo in quest’ultima equazione i dati sperimentali si ha:
K = 0.097 / 0.40 (0.40)² = 0.19 / 0.80 ( 0.40)² = 0.77/ 0.80 (0.80)² = 1.5 L²/mol² x s