Velocità di reazione

Velocità di reazione

Viene definita cinetica chimica quella branca della chimica che studia la dinamica delle reazioni chimiche ed in particolare la loro velocità.

Presa in considerazione una generica specie chimica A (reagente o prodotto di reazione), la velocità di una reazione si esprime come rapporto tra la variazione nella sua concentrazione [A], nell'intervallo di tempo t preso in considerazione (è presente il valore assoluto poiché convenzionalmente la velocità viene espressa mediante valori positivi anche quando le variazioni del specie chimica considerata sono in diminuzione, come nel caso dei reagenti).

Tuttavia la velocità di una reazione non coincide necessariamente con la velocità di scomparsa dei reagenti e di comparsa dei prodotti di reazione. Per una generica reazione del tipo

aA +bB cC + dD

le velocità con cui reagiscono le singole specie chimiche che partecipano alla reazione è infatti legata alla velocità di rezione v dalla seguente relazione

Ad esempio se la velocità della reazione di sintesi dell'ammoniaca (N₂ + 3H₂ → 2NH₃) è pari a 5 mmol L^-1 s^-1 ( 5 millimoli per litro per secondo), ciò significa che, mediamente reagiscono 5 millesimi di mole di N₂ al secondo per litro di soluzione, mentre la velocità di reazione di H₂ è tripla (- 15 mmol L^-1 s^-1) e quella di formazione di NH₃ è doppia (+10 mmol L^-1 s^-1)

Naturalmente in tal modo si calcola la velocità media. E' semplice verificare che, da un punto di vista grafico, tracciando in un diagramma cartesiano l'andamento della concentrazione [A] in funzione del tempo t, la velocità media non è altro che la pendenza della retta che interseca la curva della concentrazione nei due punti considerati (1 e 2) ai tempi t₁ e t₂

La velocità istantanea è diversa e varia in genere con il procedere della reazione. Poiché il suo valore dipende nella maggior parte dei casi dalla concentrazione del reagente, esso presenta i valori più elevati all'inizio, quando la concentrazione è massima, per poi decrescere col procedere della reazione stessa, man mano che la concentrazione della specie chimica diminuisce.

Da un punto di vista grafico è facile vedere che la velocità istantanea nel punto 1 si ottiene facendo tendere a zero l'intervallo di tempo t. In questo modo la retta secante diventa una retta tangente nel punto 1 e possiamo in tal modo affermare che la velocità istantanea è graficamente rappresentabile tramite la pendenza della retta tangente alla curva della concentrazione nel punto considerato. (da un punto di vista analitico è la derivata della curva nel punto).

In pratica è sufficiente calcolare la pendenza della retta tangente alla curva nel punto desiderato, pari alla tangente trigonometrica dell'angolo che la retta forma con l'asse delle ascisse.

Nella figura si può osservare come la velocità istantanea al tempo t₂, essendo pari alla pendenza della retta tangente alla curva nel punto, sia inferiore alla velocità istantanea al tempo t₁.

In altre parole la velocità istantanea diminuisce al diminuire della concentrazione della specie chimica

I dati sperimentali suggeriscono che la velocità istantanea sia legata alla concentrazione dei reagenti da una relazione del tipo

nota come equazione di velocità o legge cinetica, dove A e B sono due reagenti generici, mentre n ed m sono rispettivamente l'ordine della reazione rispetto al reagente A e l'ordine della reazione rispetto al reagente B.

k è una costante di proporzionalità, detta costante di velocità specifica o costante cinetica. La costante cinetica rappresenta la velocità che la reazione assume quando le concentrazioni sono unitarie

Si definisce ordine complessivo della reazione la somma n + m degli esponenti a cui sono elevate le concentrazioni dei reagenti.

Generalmente n ed m coincidono con i coefficienti stechiometrici di A e B. Ciò non è comunque sempre vero. La determinazione dell'ordine di una reazione è infatti, come vedremo, un dato sperimentale.

Le dimensioni della costante cinetica k dipendono dall'ordine complessivo della reazione e dalle unità di misura usate per le concentrazioni e per il tempo.

In generale, se z = n + m è l'ordine complessivo della reazione, le dimensioni di k sono

(concentrazione)^1-z x (tempo)^-1

z = 0                 k → conc x tempo^-1

z = 1                 k → tempo^-1

z = 2     k → conc^-1 x tempo^-1

z = 3                 k → conc^-2 x tempo^-1

In questo modo la velocità di reazione v presenta sempre le dimensioni di una concentrazione/tempo.