velocitat de reacció
TRANSCRIPT
Velocitat de reacció. Canvi químic i temps
Velocitat de reacció. Canvi químic i temps
• Mesura de la velocitat de reacció
• Factors que modifiquen la velocitat de reacció
• Models que justifiquen la velocitat de reacció
Model de col·lisions.
Model del Complex activat
• Com té lloc les reaccions. Mecanismes de reacció
Mesura de la velocitat de les reaccions químiques
ΔtΔ?vm
En una reacció fem servir diversos reactius i obtenim diversos productes. Per calcular la velocitat de la
reacció, en pricipipi podem seleccionar qualsevol.
Un criteri important a l’hora de triar quin és el que utilitzarem, és important tenir en compte que la seva
mesura ens resulti fàcil i ràpida de manera que la puguem determinar de forma exacte e inequívoca.
Si tenim una reacció del tipus: 2A + B → 2C
La definició de la velocitat mitjana de la reacció la podem representar per :
On ? Representa qualsevol
dels reactius o productes.
El principal problema que ens trobem si expressem la velocitat de reacció d’acord amb aquesta fórmula
és que el seu valor depèn de la substància que estem analitzant, ja que, tal com ens indica l’equació,
no reacciona la mateixa quantitat de cada reactiu. Per això s'acorda que:
La velocitat mitjana de reacció és la diferencia de la concentració de les espècies
presents en la reacció respecte el temps dividit pel coeficient estiquiomètric
La velocitat de reacció d’una reacció homogènia és la derivada de la concentració d’un
component de la reacció respecte del temps, dividida pel coeficient estequiomètric del
component i canviada de signe si és un reactiu
Velocitat de reacció instantània
La velocitat de reacció disminueix a mesura que disminueix la quantitaat de reactiu.. Si volem
saber la velocitat de reacció instantània en un moment determinat, cal considerar increments de
quantitats de substància, dn, i del temps dt, molt petits (diferencials). Quan parlem de velocitat
de reacció ens refefim sempre a velocitat instantània.
Per calcular la velocitat de reacció instantània, es dibuixa la recta tangent a la corba
concentració-temps en l’instant desitjat i es determina el seu pendent (figura 3)
La velocitat de reacció d’una reacció homogènia és la derivada de la concentració d’un
compotent de la reacció respecte el temps, dividica pel coeficient estequiomètric del component
i canviada de signe si és un reactiu.
V= -1/VA dnA/dt
Les unitats de V són mol.s-1
L’equació cinètica
S’ha comprovat que la velocitat d’una reacció és proporcional a les concentracions de les
espècies, així per una reacció :
L’equació cinètica o equació de velocitat expressa la relació entre la velocitat d’una reacció i
la concentracióo de les espècies implicades en la reacció. Cada reacció té una equiació
cinètica i una constant cinètica. aA + bB + cC → mM + nN + pP
Velocitat de reacció = k [A]x. [B]y. [C]z
k és la constant de proporcionalitat anomenada constant de velocitat.
x, y i z són els ordres de reacció respecte a A, B i C respectivament. La seva suma és l’ordre
total de la reacció. Aquests valors s’han de determinar experimentalment i no tenen cap
relació amb els coeficients estequiomètrics a, b c, de la reacció ajustada
La constant cinètica és independent de la concentració dels reactius i depèn únicament de la
temperatura a la que estem treballant.
Factors que modifiquen la velocitat de reacció
L’experimentació s’ha comprovat com hi ha diferents factors que modifiquen la
velocitat d’una reacció, els més importants són:
La concentració
La temperatura de treball
Els catalitzadors
La intensitat de radiació
L’area superficial
La concentració
La dependència de la velocitat de reacció de la concentració
s’explica fàcilment amb la teoria cineticomolecular. Una reacció
té lloc a nivell molecular quan les molècules o els ions dels
reactius xoquen entre si. Una concentració dels reactius més alta
implica un nombre més gran de molècules o ions per unitat de
volum, i per tant, un nombre de col·lisions superior.
Per augmentar la concentració ho podem fer de diferents
maneres segons l’estat físics dels components de la reacció
•Si estem treballant en un sistema aquos, hem d’augmentar la
quantitat de solut (reactius) per aconseguir-ho
•Si estem treballant en un sistema gasos ho podem augmentant
la quantitat de solut (reactius) o disminuint el volum del recipient
que conté el sistema,
La temperaturaQuan s’incrementa la temperatura s’observa un increment de la velocitat de la reacció
Catalitzadors
Els catalitzadors són substàncies que modifiquen la velocitat de les reaccions químiques.
Poden actuar de dues maneres:
•Afavorint que els reactius es trobin, és el cas dels catalitzadors de platí. El platí és un
metall que no reacciona i sobre el qual s’adhereixen molts gasos, això facilita que es
puguin xocar i reaccionar
•Modificar el mecanisme de la reacció de manera que intervenen en la formació de
d’espècies intermèdies en la conversió dels reactius en productes. El fet que en el còmput
total del procés, apareguin tant en els reactius com en els productes, és a dir, no es
consumeixen, fa que no s’especifiquin en l’equació química.
Model de col·lisions: una primera justificació.
Segons aquest model, per a què tingui lloc una reacció és necessari que es produeixi col·lisions
les molècules.
La velocitat de la reacció augmentarà si s’incrementa el nombre de les col·lisions i això pot
passar:
Si hi ha un major nombre de molècules ⇒ increment de la concentració
Si augmenta la rapidesa amb que es desplacen les molècules ⇒ major energia cinètica. Si
incrementem la temperatura, això comporta un increment en l’energia cinètica de les molècules.
Reacció entre el NO i el O3
Els resultats calculats teòricament eren molt més elevats que els trobats experimentalment. És
necessari modificar el model.
Per a què, quan xoquin dues molècules és produeixi una reacció és necessari:
Que ho faci amb una orientació adequada
Posseir l’energia necessària suficient per trencar els enllaços existents entre els àtoms de les
molècules de reacctius. Si l’energia que posseeix no és suficient, les molècules reboten sense
produir-se la reacció.
Només les molècules amb una energia
cinètica igual o superior a l’energia
d’activació podran xocar de manera
efectiva. Un increment de la temperatura
de T1 a T2 fa que el percentatge de
molècules que tenen una energia
cinètica suficient augmenta.
El model del complex activat
Segons aquest model, quan dues molècules s’acosten
amb suficient energia cinètica, els enllaços entre els seus
àtoms es debiliten i pot iniciar-se la formació dels nous
enllaços. Aquesta estructura que ja no és pròpia dels
reactius però que tampoc no acaba de ser-ho dels
productes s’anomena complex activat.
En la fase immediatament posterior pot passar:
-Que els àtoms es tornin a reordenar com estaven, amb
la qual cosa el xoc no haurà estat efectiu
-- Els nous enllaços s’acaben de refermar i s’originen els
productes.
Efecte de la temperatura
A la temperatura T1 la quantitat de molècules que
posseeixen la mínim energia per reaccionar és molt més
petita que a T2
L’estudi termodinàmic d’una reacció només ens indica la variació d’energia que hi ha entre els
estats inicial (reactius) i el final (productes).. A partir d’aquí només podem saber si es tracta d’un
procés exotèrmic o d’un procés endotèrmic.
Per saber la velocitat en que tindrà lloc aquesta reacció hem de conèixer també el valor de
l’energia del complex activat.
Això ens justifica que moltes reaccions exotèrmiques necessiten, per iniciar-se, una aportació
d’energia, però que l'energia que es desprèn és suficient per a mantenir la reacció.
També ens justifica que reaccions endotèrmiques, però amb energies del complex activat petites,
és suficient l’energia que pot captar del seu entorn immediat, per iniciar la reacció.
Mecanismes de reacció
Segons la teoria del complex activat, una reacció entre dos molècules per a donar-ne
dues com és la reacció Cl2 + H2 → 2 HCl, té lloc en una sola etapa i l’expressió de la
velocitat de la reacció, d’acord amb la llei de la velocitat és:
V = k [Cl2][H2]
Però quan apliquem la mateixa teoria en reaccions on hi participa un major nombre de
molècules com és en la reacció
2 NO + Cl2 → 2 NOCl
trobem que la velocitat calculada teòricament és molt baixa, en canvi les velocitat
experimentals ens donen valors iguals o superiors.
La diferència entre la teoria i les observacions experimentals han portat a les conclusions
següents:
1. Les reaccions no transcorren sempre segons la molecularitat indicada en l’equació química.
2. L’equació química expressa el procés global que amb freqüència s’haurà de desglossar en dos o
més passos elementals.
3. Cada pas elemental és quasi sempre unimolecular o bimolecular.
4. El conjunt de passos elementals es coneix com a mecanisme de reacció.
5. No tots els passos del mecanisme de reacció ocorren amb la mateixa rapidesa. El pas més lent
serà el que determinarà la velocitat global de la reacció.
6. Si volem actuar sobre el sistema per tal d’incrementar la velocitat de la reacció, és necessari
conèixer els passos d’aquesta, ja que hem d’actuar en el pas més lent