Cinetica chimica

L'equazione cinetica di una reazione e i fattori che ne influenzano la velocità

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Quanto dura la fiamma di un fiammifero? Dallo sfregamento della testa ricoperta di zolfo all’ultima fiammella che si spegne dopo aver consumato tutto il legno non passa che qualche decina di secondi. Il tempo giusto per accendere un fornello o una sigaretta. Ma perché la fiamma si spegne? La domanda sembra ovvia, ma dietro la risposta c’è un concetto importante per capire cosa regola la velocità di una reazione. Questa risposta è la quantità di reagente.

Per definizione la velocità di reazione può essere determinata sperimentalmente misurando la quantità di reagente consumato o di prodotto che si forma nell’unità di tempo scelta. Nella combustione del fiammifero la velocità di reazione sarà legata, quindi, alla quantità di zolfo e di legno di cui è composto. Il fuoco brucerà fino a quando saranno entrambi esauriti.

Per esprimere in termini matematici la relazione tra la velocità di reazione e la quantità di prodotto, dobbiamo scrivere una equazione nota in chimica come equazione cinetica in cui le quantità di reagente sono espresse sotto forma di concentrazione molare [M].

In reazioni diverse la variazione di velocità in relazione al variare delle concentrazioni dei reagenti è si diversa entità. Di conseguenza si è individuata in ogni equazione una costante, la costante cinetica (k)** che è specifica per ogni reazione e varia anche in funzione della temperatura. L’equazione cinetica fornisce la velocità (v) di una reazione generica:

aA + bB → cC + dD

può essere così scritta:

v = k [A]ⁿ [B]ⁿ

La costante cinetica k, quindi, rappresenta la velocità della reazione quando i reagenti hanno concentrazione molare unitaria ([A] e [B] = 1M).
I fattori che possono influenzare la velocità di una reazione si possono raggruppare in 4 categorie: 

  1. La natura dei reagenti: ovvero le proprietà chimiche e fisiche delle molecole che reagiscono, la loro capacità di creare (e rompere) legami, e la tipologia dei legami stessi.
  2. La superficie di contatto: maggiore è la superficie di contatto tra i reagenti, più veloce è la reazione.
  3. La temperatura: un aumento di temperatura di una reazione, generalmente, provoca un aumento della la velocità di reazione.
  4. I catalizzatori: sostanze in grado di aumentare la velocità di reazione incidendo sull’energia di attivazione di una reazione. I catalizzatori possono essere chimici, come i catalizzatori metallici, o biologici, come gli enzimi.

I catalizzatori sono molto utilizzati nell'industria perché una delle caratteristiche dei catalizzatori è la loro capacità di incidere sui meccanismi di reazione senza variarli, se non nella velocità.

Se i catalizzatori impiegati si trovano nella stessa fase dei reagenti (es. entrambi in fase gassosa) si parla di catalisi omogenea. Se la fase è diversa (es. catalizzatore in fase gassosa, reagente in fase solida) si parla di catalisi eterogenea. Uno dei catalizzatori maggiormente utilizzati nelle industrie è il monossido di azoto (NO).

 

**La costante di equilibrio (Keq) di una reazione chimica A + B → C + D si definisce come il prodotto della concentrazione dei prodotti diviso il prodotto della concentrazione dei prodotti diviso quella dei reagenti:
            

   

Quando il suo valore è molto piccolo l’equilibrio della reazione è spostato verso i reagenti, al contrario se è molto grande c’è un accumulo di prodotti.

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