Velocitat de reacció

Archiu:Rust03102006.JPG

Velocitat de reacció

Archiu:Rust03102006. caps block 0

Corrosió del ferro - una reacció química en una velocitat de reacció llenta.

Archiu:Large bonfire.jpg

Fusta ardint - una reacció química en una velocitat de reacció ràpida.

La velocitat de reacció es definix com la cantitat de substància que es transforma en una determinada reacció per unitat de temps. Per eixemple, ^{cita requerida cita requerida}

La cinètica química és la part de la fisicoquímica que estudia les velocitats de reacció, tots els factors associats a ella i la dinàmica química estudia els orígens de les diferents velocitats de les reaccions de cinètica química. S'aplica en moltes disciplines, tals com la ingenieria química, enzimología i ingenieria ambiental.

Definició formal de velocitat de reacció

Considere's una reacció química típica:

$a\mathrm{A}+b\mathrm{B}\to p\mathrm{P}+q\mathrm{Q}$

Les lletres minúscules ($a$, $b$, $p$ i $q$) representen els coeficients estequiomètrics, mentres que les lletres mayúscules representen als reactius ($\mathrm{A}$ i $\mathrm{B}$) i els productes ($\mathrm{P}$ i $\mathrm{Q}$). D'acort a la definició del Llibre Dorat de la IUPAC la velocitat instantànea de reacció $v$ (també r o R) d'una reacció química que es dona en un sistema tancat baix condicions de volum constant, sense que hi haja acumulació d'intermediaris de reacció, està definida per:

$v=-\frac{1}{a}\frac{\mathrm{d}\mathrm{[}\mathrm{A}\mathrm{]}}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{b}\frac{\mathrm{d}\mathrm{[}\mathrm{B}\mathrm{]}}{\mathrm{d}t}=\frac{1}{p}\frac{\mathrm{d}\mathrm{[}\mathrm{P}\mathrm{]}}{\mathrm{d}t}=\frac{1}{q}\frac{\mathrm{d}\mathrm{[}\mathrm{Q}\mathrm{]}}{\mathrm{d}t}$

(NOTA:La velocitat de reacció és sempre positiva. El signe '-' està present en els térmens que involucren als reactius perque la concentració de reactant disminuïx en el temps.) La IUPAC recomana que l'unitat de temps sempre dega ser el segon. En tal cas, la velocitat de reacció diferix de la velocitat d'aument de la concentració d'un producte P per un factor constant (el recíproc del seu número estequiomètric) i per un reactant A per menys el recíproc del número estequiomètric. Generalment, la velocitat de reacció té les unitats mol·L⁻¹·s⁻¹.

És important tindre en conte que la definició prèvia és vàlida solament per a una sola reacció, en un sistema tancat de volum constant. Esta suposició molt freqüentment implícita deu ser explicitada, de lo contrari la definició és incorrecta: si s'agrega aigua a un recipient contenint aigua salada, la concentració de la sal disminuïx, encara que no hi haja reacció química.

Per a qualsevol sistema en general, deu prendre's en conte el balanç de masses complet: ENTRANTE - SALIENTE + GENERACIÓN = ACUMULACIÓN.

$F_{\mathrm{A}\mathrm{0}}-F_{\mathrm{A}}+\underset{0}{\overset{V}{\int }}v\mathrm{d}V=\frac{\mathrm{d}{N}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{d}t}$

Quan s'aplica al cas més simple senyalat prèviament, esta equació es reduïx a:

$v=\frac{\mathrm{d}\mathrm{[}\mathrm{A}\mathrm{]}}{\mathrm{d}t}$

Per a una sola reacció en un sistema tancat de volum variable, pot usar-se la denominada velocitat de conversió, en la finalitat d'evitar la manipulació de concentracions. La velocitat de conversió està definida com la extensió de reacció sobre el temps.

$\dot{\xi }\equiv \frac{\mathrm{d}\xi }{\mathrm{d}t}=\frac{1}{{\nu }_i}\frac{\mathrm{d}{n}_i}{\mathrm{d}t}=\frac{1}{{\nu }_i}(V\frac{\mathrm{d}{C}_i}{\mathrm{d}t}+C_i\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t})$

${\nu }_i$ és el coeficient estequiomètric per a la substància $i$ , $V$ és el volum de reacció, i $C_i$ és la concentració de la substància $i$. Quan es formen productes laterals o intermediaris de reacció, la IUPAC recomana l'us dels térmens velocitat d'aparició i velocitat de desaparició per als productes i reactants, respectivament.

Les velocitats de reacció també poden ser definides usant una base diferent al volum del reactor. Quan s'usa un catalisador, la velocitat de reacció pot ser expressada segons el pes del catalisador (mol g⁻¹ s⁻¹) o àrea de la superfície del mateix (mol m⁻² s⁻¹). Si es pren com a base un lloc específic d'un catalisador que pot ser contat rigorosament per un método específic, la velocitat pot ser expressada en unitats de s⁻¹, per lo que se li denomina freqüència de canvi, o de conversió.

Factors que afecten la velocitat de reacció química

• Naturalea de la reacció: Algunes reaccions són, per la seua pròpia naturalea, més ràpides que unes atres. El número d'espècies reaccionantes, la seua estat físic (les partícules que formen sòlits es mouen més llentament que les de gasos o de les que estan en solució ), la complexitat de la reacció, i atres factors poden influir enormement en la velocitat d'una reacció.
• Concentració: La velocitat de reacció aumenta en la concentració, com està descrit per la llei de velocitat i explicada per la teoria de colisions. En incrementar-se la concentració dels reactants, la freqüència de colisió també s'incrementa.
• Pressió: La velocitat de les reaccions gaseoses s'incrementa molt significativament en la pressió, que és, en efecte, equivalent a incrementar la concentració del gas. Per a les reaccions en fase condensada, la dependència en la pressió és dèbil, i solament es fa important quan la pressió és molt alta.
• Orde: L'orde de la reacció controla cóm afecta la concentració (o pressió) a la velocitat de reacció.
• Temperatura: Generalment, en portar a terme una reacció a una temperatura més alta proveïx més energia al sistema, per lo que s'incrementa la velocitat de reacció en ocasionar que hi haja més colisions entre partícules, com ho explica la teoria de colisions. No obstant, la principal raó perque un aument de temperatura aumenta la velocitat de reacció és que hi ha un major número de partícules en colisió que tenen la energia d'activació necessària per a que succeïxca la reacció, resultant en més colisions exitoses. L'influència de la temperatura està descrita per la equació de Arrhenius. Com una regla de caixó, les velocitats de reacció per a moltes reaccions es dupliquen per cada aument de 10 °C en la temperatura, encara que l'efecte de la temperatura pot ser molt major o molt menor que açò. Per eixemple, el carbó ardix en un lloc en presència d'oxigen, pero no ho fa quan és almagasenat a temperatura ambiente. La reacció és espontànea a temperatures altes i baixes, pero a temperatura ambiente la velocitat de reacció és tan baixa que és despreciable. L'aument de temperatura, que pot ser creat per una cerilla, permet que la reacció inicie i es calenta a sí mateixa, degut a que és exotèrmica. Açò és vàlit per a molts atres combustibles, com el metà, butà, hidrogen, etc.

La velocitat de reacció pot ser independent de la temperatura (no-Arrhenius) o disminuir en l'aument de la temperatura (anti-Arrhenius). Les reaccions sense una barrera d'activació (per eixemple, algunes reaccions de radicals) tendixen a tindre una dependència de la temperatura de tipo anti Arrhenius: la constant de velocitat disminuïx en aumentar la temperatura.

• Solvent: Moltes reaccions tenen lloc en solució, i les propietats del solvent afecten la velocitat de reacció. La força iònica també té efecte en la velocitat de reacció.

• Radiació electromagnètica i intensitat de llum: La radiació electromagnètica és una forma d'energia. Com a tal, pot aumentar la velocitat o inclús fer que la reacció siga espontànea, en proveir de més energia a les partícules dels reactants. Esta energia és almagasenada, en una forma o una atra, en les partícules reactants (pot trencar enllaços, promoure molècules a estats excitats electrònics o vibracionales, etc), creant espècies intermediàries que reaccionen fàcilment. En aumentar l'intensitat de la llum, les partícules absorbixen més energia, lo que la velocitat de reacció aumenta. Per eixemple, quan el metà reacciona en clor gaseós en l'obscuritat, la velocitat de reacció és molt llenta. Pot ser accelerada quan la mescla és irradiada baix llum difusa. En llum solar lluenta, la reacció és explosiva.
• Un catalisador: La presència d'un catalisador incrementa la velocitat de reacció (tant de les reaccions directa i inversa) en proveir d'una trayectòria alternativa en una menor energia d'activació. Per eixemple, el platí cataliza la combustió del hidrogen en l'oxigen a temperatura ambiente.
• Isòtops: El efecte isotòpic cinètic consistix en una velocitat de reacció diferent per a la mateixa molècula si té isòtops diferents, generalment isòtops d'hidrogen, per la diferència de massa entre el hidrogen i el deuteri.
• Superfície de contacte: En reaccions en superfícies, que es donen per eixemple durant catálisis heterogénea, la velocitat de reacció aumenta quan l'àrea de la superfície de contacte aumenta. Açò és pel fet de que més partícules del sòlit estan expostes i poden ser alcançades per molècules reactants.
• Mesclat: El mesclat pot tindre un efecte fort en la velocitat de reacció per a les reaccions en fase homogénea i heterogénea..