Velocità di reazione chimica

Velocità di reazione

La velocità con cui procede una reazione chimica è definita come la variazione della concentrazione del substrato o del prodotto nel tempo. La velocità di una reazione chimica è una funzione presentata sotto forma di un’equazione di velocità generalmente applicabile. Le variazioni nella quantità dei componenti in tale equazione sono solitamente espresse in concentrazioni molari. Tieni presente che è possibile utilizzare qualsiasi altro modo per esprimere la quantità, come massa, frazione molare o frazione atomica (rapporto). La chimica utilizza anche un concetto più avanzato chiamato velocità istantanea di una reazione chimica . L’andamento della reazione può essere visualizzato tracciando la relazione tra la concentrazione molare (sull’asse y) e il tempo di reazione (sull’asse x). Per la curva risultante vengono determinate una tangente e la sua pendenza, l’ultima delle quali corrisponde alla velocità istantanea della reazione. Un altro valore che caratterizza anche la velocità di una reazione chimica è il cosiddetto tempo di dimezzamento . È un valore che descrive il comportamento degli elementi radioattivi nel tempo. L’emivita è il tempo necessario affinché metà della quantità iniziale di substrato reagisca, il che significa che maggiore è l’emivita, minore è la costante di velocità k nell’equazione di velocità di una reazione chimica. Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica:

• Concentrazione del substrato – è stato ripetutamente dimostrato sperimentalmente che la velocità di reazione dipende in modo decisivo dalla concentrazione del substrato. Maggiore è la sua concentrazione nel sistema, più velocemente procederà un particolare processo. Ciò può essere spiegato utilizzando la teoria delle collisioni. Secondo questa teoria, la condizione affinché avvenga una determinata reazione chimica è il verificarsi di una collisione riuscita (cioè collisione con sufficiente energia) tra le singole molecole del substrato. Pertanto, maggiore è il numero di molecole di substrato (maggiore è la loro concentrazione), maggiore è la probabilità di collisione e quindi maggiore la velocità di reazione (questa è una relazione direttamente proporzionale).
• Un catalizzatore presente nel sistema : i catalizzatori sono sostanze che, se aggiunte a un sistema di reazione, aumentano la velocità con cui procede una reazione chimica. Ciò è legato alla riduzione dell’energia di attivazione, cioè dell’energia necessaria affinché i substrati superino la barriera energetica della reazione e formino il complesso attivo (lo stato di transizione) prima della formazione dei veri e propri prodotti della reazione. L’abbassamento dell’energia di attivazione da parte del catalizzatore significa che è necessaria meno energia per avviare la reazione chimica.
• Temperatura e pressione – secondo la regola di van’t Hoff, aumentando la temperatura del sistema di reazione di 10ᵒC, aumenta la velocità di reazione da 2 a 4 volte. Questa relazione permette di stimare la velocità di reazione se si aumenta la temperatura, ma non si applica a tutte le reazioni e in casi eccezionali porta anche ad una diminuzione della velocità di reazione o a prodotti indesiderati. Per le reazioni che coinvolgono solo sostanze gassose, la pressione nel sistema gioca un ruolo chiave. Il suo aumento significa che la concentrazione del substrato è più elevata, in modo che le collisioni riuscite tra le singole molecole avvengano in modo più efficiente e la velocità di reazione aumenti.
• Grado di finezza – sulla loro superficie avvengono reazioni chimiche che coinvolgono substrati solidi. Maggiore è la superficie della sostanza, più rapida ed efficiente sarà la reazione che la coinvolge. Pertanto, per aumentare il più possibile tale area, i substrati vengono sottoposti a frantumazione o macinazione. Un esempio è la polvere di ferro, che si ossida rapidamente alla fiamma di una torcia, effetto che non si osserva riscaldando una verga di ferro.
• Miscelazione : la miscelazione ha sulla velocità di reazione un effetto simile al grado di finezza. L’avvio del movimento delle molecole nel sistema porta al loro contatto più frequente e alla formazione di prodotti di reazione. Nei processi superficiali, la miscelazione facilita il distacco delle molecole risultanti, ad esempio dalla superficie del catalizzatore, aumentando così l’accesso ai centri attivi per altri substrati.

Equazione del tasso

L’equazione della velocità può essere utilizzata per descrivere le relazioni tra la velocità di una reazione chimica e la concentrazione dei substrati. Ogni trasformazione chimica ha un’equazione di velocità caratteristica. In termini più semplici, questa relazione può essere espressa come il prodotto del coefficiente k (chiamato costante di velocità di reazione, un valore che è costante per una particolare reazione chimica a una particolare temperatura) e la concentrazione dei substrati. La forma dell’equazione della velocità dipende dall’ordine di reazione:

• Reazioni del primo ordine : la velocità dipende solo dalla concentrazione del substrato, elevata alla prima potenza.
• Reazioni del secondo ordine – in questo caso entrambi i componenti reagenti o il coefficiente stechiometrico davanti a un substrato (ad esempio nelle reazioni di decomposizione) devono essere inclusi nell’equazione della velocità. In tale reazione, la velocità dipenderà dal prodotto delle concentrazioni del substrato.

Gli esempi forniti sopra sono i più comuni, poiché la maggior parte delle reazioni chimiche sono del primo o del secondo ordine. Ma va ricordato che sono possibili anche reazioni di ordine diverso, come l’ordine zero, dove la velocità di reazione non dipende dalla concentrazione dei substrati. L’equazione di velocità che si scrive per una particolare reazione chimica dipende innanzitutto dal suo meccanismo, cioè dalla sequenza di reazioni elementari in cui le molecole subiscono dei cambiamenti. Nel caso di processi con meccanismo a più fasi, la velocità dell’intera reazione è determinata dalla fase più lenta. In una situazione del genere, è difficile determinare con precisione l’equazione del tasso, o può essere molto complicato. L’equazione della velocità è anche collegata al concetto di ordine di una reazione chimica . L’ordine è definito come la somma degli esponenti nell’equazione del tasso. Determina quante molecole, ioni o atomi devono partecipare a una collisione riuscita affinché avvenga una reazione chimica.

Impatto dei catalizzatori sulla velocità delle reazioni chimiche

I catalizzatori sono sostanze la cui presenza in un sistema aumenta la velocità di una reazione chimica. È importante sottolineare che essi stessi non reagiscono ai processi. Insieme ai substrati formano i cosiddetti complessi attivi, che sono molto più facili da trasformare. Una volta completata la reazione chimica, il catalizzatore viene rigenerato nella sua forma originale. Il compito principale del catalizzatore è quello di ridurre l’energia di attivazione, cioè l’energia che deve essere fornita affinché avvengano collisioni di successo tra i substrati coinvolti nella reazione. Possiamo distinguere la catalisi omogenea (il catalizzatore e i reagenti sono nello stesso stato fisico), la catalisi eterogenea (il catalizzatore e i reagenti sono in stati fisici diversi – il tipo più comune di catalisi, in cui il catalizzatore viene definito contatto) e l’autocatalisi (uno dei prodotti risultanti accelera un’ulteriore reazione chimica). La catalisi e i catalizzatori sono aspetti estremamente preziosi e importanti della maggior parte dei processi industriali, in particolare quelli dell’industria chimica . I catalizzatori vengono utilizzati nella maggior parte dei processi tecnologici in chimica, ad esempio nella produzione di acido nitrico (V) o acido solforico (VI) .