Cinetica chimică (viteză de reacție, factori de influență, legea vitezei)

Cinetica chimică studiază viteza reacțiilor chimice și factorii care o influențează, precum și mecanismele prin care reactanții se transformă în produși. Viteza de reacție se definește ca variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp. Pentru o reacție generală de tipul aA + bB → cC + dD, viteza instantanee poate fi exprimată ca v = -(1/a) × d[A]/dt = -(1/b) × d[B]/dt = (1/c) × d[C]/dt = (1/d) × d[D]/dt.

Factorii principali care influențează viteza de reacție sunt: natura reactanților (legături chimice, starea de agregare), concentrația reactanților (conform legii acțiunii maselor), temperatura (regula lui Van't Hoff: la o creștere cu 10°C, viteza se dublează sau triplează, iar mai exact relația Arrhenius: k = A × e^(-Ea/RT)), prezența catalizatorilor (care scad energia de activare), și suprafața de contact (pentru reacții eterogene). Legea vitezei se stabilește experimental și are forma v = k × [A]^m × [B]^n, unde m și n sunt ordinele parțiale de reacție, iar suma lor reprezintă ordinul global al reacției. Constanta de viteză k depinde de temperatură și de natura reacției.

Exemple: reacția de descompunere a N2O5 este de ordinul 1 (v = k[N2O5]), iar reacția dintre NO și O2 poate fi de ordinul 2 (v = k[NO]^2[O2]). În problemele de bacalaureat se cer calcule ale vitezei medii, determinarea ordinului de reacție din date experimentale, sau aplicarea legii lui Arrhenius.

Exemple

• Exemplul 1: Se consideră reacția A → B. La t=0, concentrația A este 0,5 M. După 20 de minute, concentrația A devine 0,3 M. Calculați viteza medie de reacție. Rezolvare: v_medie = -Δ[A]/Δt = -(0,3 - 0,5)/(20 - 0) = -(-0,2)/20 = 0,01 M/min. Interpretare: viteza medie arată cât de repede se consumă reactantul A în intervalul dat.
• Exemplul 2: Pentru reacția 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g), s-a determinat experimental legea vitezei: v = k[NO]^2[O2]. Dacă se dublează concentrația de NO, viteza se înmulțește cu 4; dacă se dublează concentrația de O2, viteza se dublează. Calculați ordinul global de reacție și explicați. Rezolvare: Ordinul global = 2 + 1 = 3. La dublarea [NO], viteza devine k(2[NO])^2[O2] = 4k[NO]^2[O2], deci de 4 ori mai mare. La dublarea [O2], viteza devine k[NO]^2(2[O2]) = 2k[NO]^2[O2], deci de 2 ori mai mare.
• Exemplul 3: O reacție are energia de activare Ea = 50 kJ/mol la temperatura de 300 K. Folosind ecuația Arrhenius, calculați de câte ori crește constanta de viteză dacă temperatura crește la 310 K. Se dă R = 8,314 J/(mol·K). Rezolvare: k2/k1 = e^((-Ea/R)(1/T2 - 1/T1)). T1 = 300 K, T2 = 310 K. (1/T2 - 1/T1) = (1/310 - 1/300) = (0,0032258 - 0,0033333) = -0,0001075. Ea/R = 50000/8,314 ≈ 6014. (-Ea/R) × (1/T2 - 1/T1) = -6014 × (-0,0001075) ≈ 0,646. Deci k2/k1 = e^0,646 ≈ 1,908. Viteza crește de aproximativ 1,9 ori.

Concepte cheie: Viteza de reacție se definește ca variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp., Legea vitezei se exprimă matematic ca v = k[A]^m[B]^n și se stabilește experimental., Factorii de influență principali: concentrația, temperatura, catalizatorii, suprafața de contact, natura reactanților., Ecuația Arrhenius descrie dependența constantei de viteză de temperatură: k = A e^(-Ea/(RT))., Ordinul de reacție este suma exponenților din legea vitezei și se determină experimental (de obicei 0, 1 sau 2)., Catalizatorii scad energia de activare și măresc viteza de reacție, fără a fi consumați în proces.