Pe scurt
Cinetica chimică studiază viteza de desfășurare a reacțiilor chimice și factorii care o influențează. Viteza de reacție se definește ca variația concentrației unui reactant sau a unui produs în unitatea de timp, iar legea vitezei exprimă dependența acesteia de concentrațiile reactanților. Factorii principali care influențează viteza sunt natura reactantilor, concentrația, temperatura, presiunea, suprafața de contact și catalizatorii.
Definiția și calculul vitezei de reacție
Viteza de reacție se definește ca variația concentrației unui reactant sau a unui produs în unitatea de timp, exprimată de obicei în
mol/L·s. Pentru o reacție generală
aA + bB → cC + dD, viteza medie poate fi calculată astfel:
- v = - (1/a) × Δ[A]/Δt = - (1/b) × Δ[B]/Δt = (1/c) × Δ[C]/Δt = (1/d) × Δ[D]/Δt
- Semnul minus indică consumarea reactanților
Factorii care influențează viteza de reacție
- Natura reactantilor – reacțiile ionice sunt rapide, în timp ce reacțiile covalente necesită ruperea de legături și sunt mai lente
- Concentrația reactantilor – conform teoriei ciocnirilor, o concentrație mai mare crește frecvența ciocnirilor și deci viteza
- Temperatura – ridicarea temperaturii crește energia cinetică a particulelor și numărul de ciocniri eficiente
-
Regula lui van't Hoff: o creștere cu 10°C dublează sau triplează viteza
- Ecuația Arrhenius: k = A × e^(-Ea/RT), unde k este constanta de viteză, A factorul pre-exponențial, Ea energia de activare, R constanta gazelor, T temperatura
- Presiunea (pentru gaze) – echivalentă cu creșterea concentrației
- Suprafața de contact – în sisteme eterogene (solide-lichide), mărirea suprafeței accelerează reacția
- Catalizatorii – substanțe care modifică viteza fără a fi consumate, scăzând energia de activare
Legea vitezei și ordinul de reacție
Legea vitezei exprimă dependența vitezei de concentrațiile reactanților, de forma:
-
k = constanta de viteză (specifică reacției și depinde de temperatură)
- m și n = ordinele parțiale de reacție față de A și B (determinate experimental)
- m + n = ordinul total al reacției
Ordine de reacție comune:
- Ordin 0 – viteza independentă de concentrație
- Ordin 1 – v = k[A], timpul de înjumătățire t1/2 = ln2/k este constant
- Ordin 2 – viteza proporțională cu pătratul concentrației
Determinarea experimentală a legii vitezei:
- Metoda vitezelor inițiale – se variază concentrația unui reactant menținându-i pe ceilalți constanți
- Grafice concentrație vs timp – permit identificarea ordinului de reacție
Distincții importante:
- Reacții elementare – ordinul coincide cu coeficienții stoichiometrici
- Reacții complexe – legea vitezei se determină experimental
Ecuația Arrhenius
Ecuația Arrhenius leagă constanta de viteză de temperatură și energia de activare:
- k = A × e^(-Ea/RT)
- Forma logaritmică: ln(k2/k1) = (Ea/R) × (1/T1 - 1/T2)
Aplicații practice
- Optimizarea proceselor industriale – de exemplu, sinteza amoniacului prin procesul Haber-Bosch
- Înțelegerea mecanismelor de reacție
- Pentru Bac – elevii trebuie să poată calcula viteza medie, să interpreteze grafice concentrație-timp, să aplice ecuația Arrhenius calitativ și să identifice factorii care accelerează o reacție
Verifică-te!
- Care este formula de calcul a vitezei medii pentru o reacție generală aA + bB → cC + dD?
- Ce spune regula lui van't Hoff despre influența temperaturii asupra vitezei de reacție?
- Cum se determină experimental ordinul parțial de reacție față de un reactant?