Introduzione alla Chimica
Obiettivo di Apprendimento
- Spiegare come la concentrazione, la superficie, la pressione, la temperatura, e l’aggiunta di catalizzatori influenzano la velocità di reazione
Punti Chiave
- Quando le concentrazioni dei reagenti sono cresciuto, la reazione procede più rapidamente. Ciò è dovuto ad un aumento del numero di molecole che hanno l’energia minima richiesta. Per i gas, l’aumento della pressione ha lo stesso effetto dell’aumento della concentrazione.
- Quando solidi e liquidi reagiscono, aumentando la superficie del solido aumenterà la velocità di reazione. Una diminuzione della dimensione delle particelle provoca un aumento della superficie totale del solido.
- Aumentare la temperatura di reazione di 10 °C può raddoppiare o triplicare la velocità di reazione. Ciò è dovuto ad un aumento del numero di particelle che hanno l’energia minima richiesta. La velocità di reazione diminuisce con una diminuzione della temperatura.
- I catalizzatori possono abbassare l’energia di attivazione e aumentare la velocità di reazione senza essere consumati nella reazione.
- Le differenze nelle strutture intrinseche dei reagenti possono portare a differenze nelle velocità di reazione. Le molecole unite da legami più forti avranno tassi di reazione più bassi rispetto alle molecole unite da legami più deboli, a causa della maggiore quantità di energia necessaria per rompere i legami più forti.
Termini
- Catalizzatoreuna sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza essere consumata nel processo.
- energia di attivazionela quantità minima di energia che le molecole devono avere affinché una reazione si verifichi in caso di collisione.
Concentrazioni di reagenti
Aumentando le concentrazioni di reagenti la reazione avviene ad un ritmo più veloce. Perché si verifichi una reazione chimica, deve esserci un certo numero di molecole con energie uguali o superiori all’energia di attivazione. Con un aumento della concentrazione, il numero di molecole con l’energia minima richiesta aumenterà e quindi la velocità della reazione aumenterà. Ad esempio, se una particella su un milione ha energia di attivazione sufficiente, allora su 100 milioni di particelle, solo 100 reagiranno. Tuttavia, se hai 200 milioni di quelle particelle all’interno dello stesso volume, allora 200 di loro reagiscono. Raddoppiando la concentrazione, anche la velocità di reazione è raddoppiata.
Superficie
In una reazione tra un solido e un liquido, la superficie del solido avrà un impatto finale sulla velocità della reazione. Questo perché il liquido e il solido possono scontrarsi l’uno con l’altro solo all’interfaccia liquido-solido, che si trova sulla superficie del solido. Le molecole solide intrappolate all’interno del corpo del solido non possono reagire. Pertanto, aumentando la superficie del solido esporrà più molecole solide al liquido, il che consente una reazione più rapida.
Ad esempio, si consideri un mattone 6 x 6 x 2 pollici. L’area delle superfici esposte del mattone è 4(6 \ volte 2)+2(6 \ volte 6)=120\; cm^2. Quando il mattone viene smontato in nove cubi più piccoli, tuttavia, ogni cubo ha una superficie di 6 (2\ volte 2) = 24 \cm^2, quindi la superficie totale dei nove cubi è 9\ volte 24 = 216 \ cm^2.
Questo mostra che la superficie totale esposta aumenterà quando un corpo più grande è diviso in pezzi più piccoli. Pertanto, poiché una reazione avviene sulla superficie di una sostanza, aumentando la superficie dovrebbe aumentare la quantità della sostanza che è disponibile a reagire, e quindi aumenterà anche la velocità della reazione.
Pressione
Aumentando la pressione per una reazione che coinvolge gas aumenterà la velocità di reazione. Quando si aumenta la pressione di un gas, si diminuisce il suo volume (PV=nRT; P e V sono inversamente correlati), mentre il numero di particelle (n) rimane invariato. Pertanto, l’aumento della pressione aumenta la concentrazione del gas (n/V) e assicura che le molecole di gas si scontrino più frequentemente. Tieni presente che questa logica funziona solo per i gas, che sono altamente comprimibili; la modifica della pressione per una reazione che coinvolge solo solidi o liquidi non ha alcun effetto sulla velocità di reazione.
Temperatura
È stato osservato sperimentalmente che un aumento di 10 °C della temperatura di solito raddoppia o triplica la velocità di una reazione tra molecole. L’energia minima necessaria per una reazione di procedere, noto come l’energia di attivazione, rimane lo stesso con l’aumentare della temperatura. Tuttavia, l’aumento medio dell’energia cinetica delle particelle causato dal calore assorbito significa che una percentuale maggiore delle molecole reagenti ora ha l’energia minima necessaria per scontrarsi e reagire. Un aumento della temperatura provoca un aumento dei livelli di energia delle molecole coinvolte nella reazione, quindi la velocità della reazione aumenta. Allo stesso modo, la velocità di reazione diminuirà con una diminuzione della temperatura.
Presenza o assenza di un catalizzatore
I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità di reazione riducendo l’energia di attivazione necessaria per la reazione. Un catalizzatore non viene distrutto o modificato durante una reazione, quindi può essere riutilizzato. Ad esempio, in condizioni ordinarie, H2 e O2 non si combinano. Tuttavia, si combinano in presenza di una piccola quantità di platino, che funge da catalizzatore, e la reazione avviene quindi rapidamente.
Natura dei reagenti
Le sostanze differiscono notevolmente nelle velocità con cui subiscono cambiamenti chimici. Le differenze di reattività tra le reazioni possono essere attribuite alle diverse strutture dei materiali coinvolti; ad esempio, se le sostanze sono in soluzione o allo stato solido. Un altro fattore ha a che fare con le relative forze di legame all’interno delle molecole dei reagenti. Ad esempio, una reazione tra molecole con atomi che sono legati da forti legami covalenti avrà luogo ad un ritmo più lento di una reazione tra molecole con atomi che sono legati da legami covalenti deboli. Ciò è dovuto al fatto che ci vuole più energia per rompere i legami delle molecole fortemente legate.