Pe scurt
Cinetica chimică studiază viteza reacțiilor chimice și factorii care o influențează. Viteza de reacție se definește ca variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp. Factorii principali care influențează viteza sunt natura reactanților, concentrația, temperatura, presiunea, suprafața de contact și catalizatorii.
Definiția vitezei de reacție
Viteza de reacție reprezintă variația concentrației unui reactant sau produs în unitatea de timp, exprimată de obicei în
mol/L·s. Pentru o reacție de tip
aA + bB → cC + dD:
- Viteza medie se calculează ca v = - (1/a) × Δ[A]/Δt = (1/c) × Δ[C]/Δt, unde semnul minus indică consumul reactanților
- Viteza instantanee este limita acestui raport când Δt → 0
Factorii care influențează viteza de reacție
Natura reactanților
- Legăturile ionice conduc la reacții rapide
- Legăturile covalente conduc la reacții lente
Concentrația
Conform
legii acțiunii maselor, pentru reacții elementare:
- Viteza este proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților, ridicate la puteri egale cu coeficienții stoichiometrici
- Pentru o reacție elementară A + B → produși: v = k[A][B], unde k este constanta de viteză
Temperatura
- Regula lui van't Hoff: la o creștere a temperaturii cu 10°C, viteza se dublează sau triplează
- Ecuația Arrhenius: k = A × e^(-Ea/RT) arată că k crește exponențial cu temperatura, deoarece crește fracțiunea moleculelor cu energie cinetică mai mare decât energia de activare (Ea)
Presiunea
- Pentru reacții în fază gazoasă, creșterea presiunii (care echivalează cu creșterea concentrației) accelerează reacția
Suprafața de contact
- În sisteme eterogene (de exemplu, solid-lichid), mărirea suprafeței de contact (prin pulverizare) crește viteza
Catalizatorii
- Substanțe care accelerează reacția fără a fi consumate, prin scăderea energiei de activare
- Un catalizator nu modifică echilibrul chimic, ci doar viteza cu care se atinge
Exemple de calcul
Exemplul 1: Calculul vitezei medii
Reacția:
2NO₂(g) → N₂O₄(g)
- La t=0 s, [NO₂]=0,10 M; la t=50 s, [NO₂]=0,06 M
- Viteza de consum a NO₂: v_consum = -Δ[NO₂]/Δt = -(0,06-0,10)/50 = 0,04/50 = 8×10⁻⁴ M/s
- Viteza reacției: v = (1/2)×v_consum = 4×10⁻⁴ M/s
- Viteza de formare a N₂O₄: v_formare = v × 1 = 4×10⁻⁴ M/s
Exemplul 2: Influența concentrației
Reacția elementară:
2A + B → C
- Legea de viteză: v = k[A]²[B]
- La [A]=0,2 M și [B]=0,1 M, viteza inițială = 0,5 M/s
- Dublarea [A] la 0,4 M: noua viteză = 4 × 0,5 = 2 M/s
- Dublarea [B] la 0,2 M: noua viteză = 2 × 0,5 = 1 M/s
Exemplul 3: Aplicarea ecuației Arrhenius
- Ea = 50 kJ/mol, T₁=300 K, k₁=0,01 s⁻¹, T₂=310 K
- ln(k₂/k₁) = (Ea/R)×(1/T₁ - 1/T₂) = 0,644
- k₂/k₁ = e^0,644 ≈ 1,904, deci k₂ ≈ 0,01904 s⁻¹
- O creștere de 10°C aproape dublează viteza
Concepte cheie
- Viteza de reacție: variația concentrației în unitatea de timp, exprimată prin derivată sau raportul diferențelor
- Legea acțiunii maselor: pentru reacții elementare, v = k[A]^a[B]^b, unde a și b sunt coeficienții stoichiometrici
- Ecuația Arrhenius: k = A × e^(-Ea/RT), care descrie dependența de temperatură și energia de activare
- Factorii de influență: natura reactanților, concentrația, temperatura, presiunea, suprafața de contact, catalizatorii
- Catalizatorii: scad energia de activare, accelerând reacția fără a fi consumați și fără a modifica echilibrul
Verifică-te!
- Cum se calculează viteza medie de consum a unui reactant într-o reacție de tip aA + bB → cC + dD?
- Ce efect are creșterea temperaturii cu 10°C asupra vitezei de reacție, conform regulii lui van't Hoff?
- Prin ce mecanism acționează un catalizator pentru a accelera o reacție chimică?