Cinetica chimică

Cinetica chimică este acea ramură a chimiei care studiază viteza de reacție și factorii care o influențează. Domeniul său de studiu se extinde și la mecanismele implicate în formarea produselor finale.

Specii stabile și metastabile

Efectele unei concentrații crescute în reacțiile chimice

În natură există reacții permise termodinamic (și, prin urmare, cu ΔG <0), dar atât de lente încât nu au loc în practică.

Un exemplu este arderea hârtiei în prezența oxigenului și a aerului : la temperatura camerei, reacția este atât de lentă încât este nevoie de decenii până când oxigenul „arde” un strat de suprafață de hârtie, făcându-l galben și casant. De aceea, lucrarea este definită ca un compus metastabil, adică un compus care este instabil din punct de vedere termodinamic, dar stabil din punct de vedere cinetic.

Sau, din nou, carbonul , a cărui formă stabilă este grafit (prezent de exemplu în creion), în timp ce diamantul este o formă metastabilă. Dar transformarea diamantului în grafit este atât de lentă încât practic diamantul rămâne așa.

Reacțiile lente din punct de vedere cinetic pot fi favorizate prin utilizarea catalizatorilor adecvați care scad energia de activare, crescând numărul de coliziuni eficiente, scăzând astfel timpul de reacție chimic.

Cum se întâmplă o reacție

Grafic care arată variația energiei potențiale în funcție de coordonata reacției . Reacția generică descrisă este X → Y (cu reacția inversă relativă) și se face o comparație dacă este prezent un catalizator (linia roșie). Diferența de energie dintre produse și reactanți reprezintă entalpia de reacție (ΔH).

Pentru ca o reacție chimică să aibă loc, reactanții trebuie să aibă un nivel minim de energie numit energie de activare . În aceste condiții, legăturile originale care caracterizează moleculele reactanților suferă un clivaj cu formarea de noi legături care dau viață unui compus intermediar și metastabil, caracterizat prin energie potențială ridicată și definit ca „complex activat”. Apoi, legăturile chimice slabe nou formate suferă o rearanjare definitivă formând produsele finale de reacție.

Grafice precum cea prezentată lateral se găsesc în mod obișnuit în cinetica chimică și raportează variația energiei potențiale în funcție de cursul reacției (așa-numita coordonată a reacției); sunt utile pentru a descrie calitativ calea unei reacții. Adesea se raportează, din motive ilustrative, doar un maxim de energie potențială (energie corespunzătoare complexului activat), dar în realitate aceste maxime sunt de obicei mai multe decât una.

O abordare mai elaborată se bazează pe studiul suprafețelor de energie potențială .

Studiul cinetic al unei reacții

Un studiu cinetic al vitezei unei reacții poate fi efectuat prin monitorizarea concentrațiilor speciilor prezente în cursul reacției și căutarea unei funcții matematice care să se apropie cel mai bine de aceste valori. Prin repetarea măsurătorilor la diferite temperaturi, este posibil să se obțină condițiile optime în care să se efectueze o reacție și unii parametri, cum ar fi energia de activare sau constanta de viteză a unei reacții.

În acest scop, sunt utilizate în mod obișnuit dispozitive care permit reacția să fie efectuată utilizând un flux continuu de reactivi sau, alternativ, blocând acest flux într-un anumit punct ( flux oprit ). Reacțiile mult mai rapide, de ordinul nanosecundelor și picosecundelor , pot fi studiate folosind fotoliza flash. Când este necesar să se izoleze și intermediarii posibili, de exemplu pentru a le caracteriza ulterior, se aplică stingerea sau răcirea chimică: în primul caz reacția este oprită într-o etapă dată prin adăugarea unui alt compus la amestecul de reactivi, în timp ce în al doilea caz o răcire bruscă.

Studiul mecanismului de reacție se realizează prin ipotezarea unei căi de reacție și apoi fundamentarea sa experimentală (de exemplu prin intermediul spectroscopiei ) prin verificarea prezenței intermediarilor ipoteziți în mecanism sau a subproduselor care derivă din reacțiile secundare permise de mecanism ipotezat. Este importantă și verificarea practică a stereochimiei reale a reacției.

Factori care afectează viteza de reacție

Factorii capabili să influențeze viteza de reacție pot fi enumerați sumar după cum urmează:

Natura reactivilor : Deoarece legăturile sunt rupte și se formează altele noi într-o reacție chimică, viteza depinde de rezistența legăturii existente.
Suprafața de contact : pe măsură ce suprafața de contact crește, viteza de reacție crește.
Concentrația reactivului : rata crește pe măsură ce crește concentrația. Ecuația care leagă viteza de reacție de concentrația reactanților se numește lege cinetică .
Temperatura : pe măsură ce temperatura crește, viteza de reacție crește, în medie de 2 ori la fiecare 10 ° C de temperatură .
Prezența catalizatorilor : multe reacții apar foarte lent dacă nu sunt catalizate de substanțe organice și anorganice (catalizatori) sau biologici (enzime).

Importanța cineticii chimice

Importanța cineticii este considerabilă, deoarece stă la baza oricărei concepții și optimizări a proceselor de producție chimică, de asemenea pentru aspectele inerente siguranței acestora. În special, dezvoltarea unor catalizatori specifici este de o mare importanță, care nu numai că se dovedește a fi utilă în creșterea vitezei de reacție, dar permite adesea sinteza în condiții de funcționare mai puțin drastice (presiune, temperatură), cu economii considerabile de energie și economice.

Bibliografie

Richard Feynman , The physics of Feynman , Bologna, Zanichelli, 2001, ISBN 978-88-08-16782-8 . :
- Vol I, alin. 42-4: Cinetică chimică
James E. House, Principiile chimicii chimice, ediția a doua , Academic Press, 2007. ISBN 978-0-12-356787-1 .
Luis Arnaut, Sebastiao Jose Formosinho, Hugh Burrows, Chemical Kinetics: From Molecular Structure to Chemical Reactivity , Elsevier Science, 2006. ISBN 0-444-52186-0 .