Fattori che influenzano la velocità di reazione | Introduzione alla chimica

Obiettivo di apprendimento

Spiegare come la concentrazione, superficie, pressione, temperatura e l’aggiunta di catalizzatori influenzano la velocità di reazione

Punti chiave

Quando le concentrazioni dei reagenti sono aumentate, la reazione procede più velocemente. Ciò è dovuto all’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 i solidi e i liquidi reagiscono, l’aumento della superficie del solido aumenta la velocità di reazione. Una diminuzione della dimensione delle particelle causa un aumento dell’area superficiale totale del solido.
Aumentare la temperatura di reazione di 10 °C può raddoppiare o triplicare la velocità di reazione. Ciò è dovuto a 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 nella 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 richiesta 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 avvenga al momento della collisione.

Concentrazioni di reagenti

Aumentare la concentrazione dei reagenti fa sì che la reazione avvenga più velocemente. Affinché una reazione chimica avvenga, ci deve essere 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 il tasso della reazione aumenterà. Per esempio, se una particella su un milione ha sufficiente energia di attivazione, allora su 100 milioni di particelle, solo 100 reagiranno. Tuttavia, se si hanno 200 milioni di quelle particelle nello stesso volume, allora 200 di loro reagiranno. Raddoppiando la concentrazione, anche il tasso di reazione è raddoppiato.

Interattivo: Concentrazione e velocità di reazioneIn questo modello, due atomi possono formare un legame per fare una molecola. Sperimenta cambiando la concentrazione degli atomi per vedere come questo influenza la velocità di reazione (la velocità alla quale la reazione avviene).

Area superficiale

In una reazione tra un solido e un liquido, l’area superficiale del solido avrà un impatto sulla velocità della reazione. Questo perché il liquido e il solido possono scontrarsi solo all’interfaccia liquido-solido, che è sulla superficie del solido. Le molecole solide intrappolate nel corpo del solido non possono reagire. Quindi, aumentando l’area superficiale del solido si espongono più molecole solide al liquido, il che permette una reazione più veloce.

Per esempio, consideriamo un mattone di 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 dimostra che la superficie totale esposta aumenta quando un corpo più grande viene diviso in pezzi più piccoli. Quindi, poiché una reazione avviene sulla superficie di una sostanza, aumentando la superficie dovrebbe aumentare la quantità di sostanza disponibile per reagire, e quindi aumenterà anche la velocità della reazione.

Aree superficiali di molecole più piccole rispetto a molecole più grandiQuesta immagine mostra come lo smontaggio di un mattone in cubi più piccoli provochi un aumento dell’area superficiale totale.

Pressione

Aumentando la pressione per una reazione che coinvolge dei gas aumenterà il tasso 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. Quindi, aumentando la pressione si aumenta la concentrazione del gas (n/V), e si assicura che le molecole del gas si scontrino più frequentemente. Tieni presente che questa logica funziona solo per i gas, che sono altamente comprimibili; cambiare la 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 nella temperatura di solito raddoppia o triplica la velocità di una reazione tra molecole. L’energia minima necessaria perché una reazione proceda, nota come energia di attivazione, rimane la stessa con l’aumento della temperatura. Tuttavia, l’aumento medio dell’energia cinetica delle particelle causato dal calore assorbito significa che una proporzione maggiore delle molecole reagenti ha ora l’energia minima necessaria per scontrarsi e reagire. Un aumento della temperatura causa un aumento dei livelli di energia delle molecole coinvolte nella reazione, quindi la velocità della reazione aumenta. Allo stesso modo, il tasso di reazione diminuirà con una diminuzione della temperatura.

Interattivo: Temperatura e velocità di reazioneEsplora il ruolo della temperatura sulla velocità di reazione. Nota: In questo modello qualsiasi calore generato dalla reazione stessa viene rimosso, mantenendo la temperatura costante al fine di isolare l’effetto della temperatura ambientale sulla velocità di reazione.

Presenza o assenza di un catalizzatore

I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità di reazione abbassando l’energia di attivazione necessaria affinché la reazione avvenga. Un catalizzatore non viene distrutto o cambiato durante una reazione, quindi può essere usato di nuovo. Per esempio, in condizioni ordinarie, H2 e O2 non si combinano. Tuttavia, si combinano in presenza di una piccola quantità di platino, che agisce come catalizzatore, e la reazione avviene rapidamente.

Natura dei reagenti

Le sostanze differiscono notevolmente nella velocità con cui subiscono il cambiamento chimico. Le differenze di reattività tra le reazioni possono essere attribuite alle diverse strutture dei materiali coinvolti; per esempio, se le sostanze sono in soluzione o allo stato solido è importante. Un altro fattore ha a che fare con le forze di legame relative all’interno delle molecole dei reagenti. Per esempio, una reazione tra molecole con atomi legati da forti legami covalenti avverrà più lentamente di una reazione tra molecole con atomi legati da legami covalenti deboli. Questo è dovuto al fatto che ci vuole più energia per rompere i legami delle molecole fortemente legate.

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