Transcript capitolo 3
REAZIONI CHIMICHE: LEGGI CINETICHE, MECCANISMI DI REAZIONE E BILANCI DI MASSA Reazione chimica in condizione di equilibrio: concentrazioni costanti che obbediscono al vincolo determinato dalla costante di equilibrio K Ad esempio per la reazione H 2 + I 2 → ← la costante di equilibrio è data come 2 HI [HI]2 Kc = [H2 ][I2 ] dove [J] indica la concentrazione della specie J in moli/litro Nell’ambito della cinetica chimica si utilizzano le molarità (numero di moli per unità di volume) per specificare la composizione di tutti i tipi di fasi. In condizioni di non equilibrio, le concentrazioni vengono a dipendere tempo e si evolvono dal valore iniziale, all’atto del miscelamento dei reagenti, fino a raggiungere il valore costante dello stato di equilibrio. Obiettivo della cinetica chimica: caratterizzare l’evoluzione temporale delle concentrazioni in condizioni di non equilibrio. Descrizione macroscopica della cinetica: dipendenza temporale delle concentrazioni in un sistema chiuso in condizioni di equilibrio termico e meccanico. Il caso della reazione A + B → 2C (a partite dalle specifiche condizioni iniziali) Esempio di reazione reversibile: A + B 2C stato di equilibrio con concentrazioni non nulle di reagenti e prodotti. Esempio di reazione irreversibile: A + B → 2C stato di equilibrio con la (quasi) scomparsa di uno dei reagenti; limite a K → ∞ ! Bilancio di massa derivante dalla stechiometria di reazione: ∆nC A + B → 2C: − ∆nA = −∆nB = 2 ∆nX : variazione del numero di moli della specie X (fra due tempi) Velocità di comparsa definita come derivata delle concentrazioni nel tempo: ∆nX / V d [X] = lim ∆t →0 dt ∆t moli prodotte in ∆t Le velocità di comparsa sono negative (scomparsa!) per i reagenti Le velocità di comparsa sono collegate dal bilancio di massa: A + B → 2C: − ∆nA = −∆nB = ∆nC 2 ⇒ − d [A] d [B] 1 d [C] =− = dt dt 2 dt Definizione di velocità di reazione indipendentemente dalla specie v=− d [A] d [B] 1 d [C] =− = dt dt 2 dt Per una reazione generica −ν A A −ν BB ... = ν CC +ν D D ... si ha: d [A] d [B] d [C] d [D] v := = = = = ... ν A dt ν Bdt ν C dt ν D dt [Attenzione: ricordare che che i coefficienti stechiometrici sono negativi per i reagenti, positivi per i prodotti] Quali valori per la velocità di reazione? A priori si può solo affermare che v = 0 nello stato di equilibrio (cioè per t → ∞ ) Postulato: per un fissato ambiente di reazione (temperatura, solvente), la velocità di reazione è una funzione (detta legge cinetica) delle concentrazioni istantanee delle specie coinvolte nella reazione. Ad esempio, per una reazione −ν A A −ν BB v = f ([A],[B],[C],[D]): = ν CC +ν D D , legge cinetica Nota la legge cinetica e le concentrazioni ad un dato istante t, si può calcolare la velocità di comparsa di un prodotto o di un reagente J=A,B,C,D 1 d [J] d [J] ν J dt =ν ⇒ dt = ν J f ([A],[B],[C],[D]) In presenza di più reazioni, ogni reazione contribuisce in modo indipendente alla velocità di comparsa di un specie: d [J] d [J] d [J] = + +⋯ dt dt reazione dt reazione 1 2 Quale legge cinetica per una data reazione? Nelle reazioni irreversibili spesso (ma non sempre!), la velocità di reazione è proporzionale a potenze delle concentrazioni dei soli reagenti. Ad esempio: −ν A A −ν BB → ν CC +ν D D v = k [A ] [B] n m Allora si dice che la reazione è di ordine n rispetto al reagente A, di ordine m rispetto al reagente B, e che ha un ordine di reazione globale p = n + m ATTENZIONE: in genere non un legame diretto tra n, m e ν A , ν B ! k (costante di proporzionalità) è detta costante di velocità e ha dimensioni fisiche 1 s × (moli/litro) p−1 I casi più semplici di leggi cinetiche sono: v = k [ A] Legge del primo ordine [k] = s-1 v = k ' [ A] 2 v = k " [A][B ] Legge del secondo ordine [k’] = l mol-1 s-1 Legge del secondo ordine complessivo (primo ordine in A e B) [k’’] = l mol-1 s-1 Però non sempre reazioni irreversibili hanno ordini di reazioni definiti, come ad esempio per la reazione H 2 + Br2 → 2 HBr : [ H 2 ][Br2 ] v=k [Br2 ] + k ' [HBr] 1/ 2 Inoltre gli ordini di reazione, quando sono definiti, non hanno una diretta relazione con i coefficienti stechiometrici della reazione. Nota la legge cinetica, si può calcolare l’evoluzione temporale delle concentrazioni (integrazione della legge cinetica) Esempio della cinetica del primo ordine A → P (prodotti) d [A ] d [P ] v=− = = k [A ] dt dt k (1/s): costante di velocità del 1° ordine Integrazione rispetto alla concentrazione [A] d [A ] = −k [A ] ⇒ dt 1 d [A ] d ln[A ] = = −k [A] dt dt Dipendenza lineare dal tempo di ln[A] : ln[A] = a + b t ln[A]0 − k ln[A] = ln[A]0 − kt [A] ln[A] − ln[A]0 = ln = −kt [A]0 k crescente ln[A] 0 0 [A] = [A]0 exp(−kt ) ln[A] [A] [A]0 [A] = exp(− kt ) [A]0 Il diagramma è lineare solo su scala logaritmica delle concentrazioni! t La scala dei tempi per il decadimento della concentrazione [A] è quantificata in termini di tempo di dimezzamento t1/2 t1/2 = tempo di dimezzamento della concentrazione di un reagente rispetto allo stato iniziale (cioè [A]t = [A]0 / 2 ) 1/2 Per una cinetica del 1° ordine: [A]t 1 −kt1/2 = ln = ln = − ln 2 [A]0 2 ln 2 t1/ 2 = : indipendente dalla concentrazione iniziale! k 1/2 Esempio di tempo di dimezzamento per il decadimento radioattivo di nuclei atomici: 14 C → 14 N v = k 14 C t1/2 = 5770 anni Integrazione della legge cinetica per la reazione del secondo ordine A → P (prodotti) d [A] v=− = k[A]2 dt − 1 d [A] d1/[A] = =k 2 [A] dt dt k : litro/moli s 1 1 = +kt [A] [A]0 ⇒ 1/[A] [A] = 1/[A]0 retta di pendenza k t t1/ 2 [A]0 1 + [A]0 kt 1 = : dipendente dalla [A]0 k concentrazione iniziale! Confronto tra profili temporali per cinetiche del 1° e del 2° ordine a parità di tipo di reazione. Esempio per A → Prodotti secondo ordine primo ordine Cinetica del secondo ordine A + B → P (prodotti) d[A] d[B] v=− =− = k[A][B] dt dt E’ una cinetica complessa da analizzarsi, salvo nei due casi-limite: 1) [A]0 = [B]0 ⇒ [A] = [B] a tutti i tempi! d [A] v=− ≡ k[A]2 stessa equazione del caso precedente! dt 2) [A]0 << [B]0 ⇒ [B] ≅ [B]0 circa costante! d [A] = k[B][A] ≅ k[B]0 [A] = k '[A] dt k' Cinetica del pseudo primo ordine con [A] = [A]0 exp(−k ' t ) un tempo di dimezzamento dipendente ln2 ln2 t = = 1/ 2 dalla concentrazione iniziale di B k ' k[B] v=− 0 Le leggi cinetiche si possono costruire su basi molecolari 1) ipotizzando un meccanismo di reazione fatto di M stadi elementari (uni/bi-molecolari); 2) assumendo che per ogni stadio elementare la legge cinetica abbia l’ordine corrispondente alla molecolarità (stadio unimolecolare ↔ 1° ordine, stadi bimolecolari ↔ 2° ordine); 3) ponendo d [J] / dt = ( d [J] / dt )1 + ( d [J] / dt )2 + ... + ( d [J] / dt )M per ogni specie (ogni stadio contribuisce in modo indipendente); si crea così un sistema di equazioni differenziali che ha per incognite le concentrazioni delle specie; 4) applicando eventualmente l’ipotesi dello stato-stazionario agli intermedi labili ( d [I] / dt ≃ 0 per ogni intermedio); Esempio: decomposizione dell’ozono nell’atmosfera in assenza di radiazione e di specie reattive radicaliche Processo cinetico osservabile macroscopicamente: 3 O3 → O2 2 Ipotesi di meccanismo di reazione a tre stadi: 1) O3 k 1 → O2 + O (unimolecolare) k2 2) O2 + O → O3 (bimolecolare) k 3 3) O + O3 → 2 O2 (bimolecolare) d [O3 ] = dt = d [O3 ] d [O3 ] d [O3 ] + + dt dt 1 dt 2 3 − k1[O3 ] + k2 [O2 ][O] − k3[O3 ][O] d [O3 ] v=− = k1[O3 ] − k2 [O 2 ][O] + k3[O3 ][O] dt La specie O (Ossigeno atomico) non è rilevabile macroscopicamente (specie estremamente reattiva e quindi presente in tracce): intermedio al quale applicare l’ipotesi dello stato stazionario: d [O] ≈ 0 : Ipotesi dello stato stazionario dt d [O] d [O] d [O] d [O] = + + = k1[O3 ] − k2 [O2 ][O] − k3[O3 ][O] = 0 dt dt 1 dt 2 dt 3 [O] = k1[O3 ] k2 [O2 ] + k3[O3 ] k3[O3 ] − k2 [O 2 ] v = k1[O3 ] + [O] (k3[O3 ] − k2 [O 2 ] ) = k1[O3 ] + k1[O3 ] k2 [O 2 ] + k3[O3 ] 2k1k3 [O 3 ]2 v= k 2 [O 2 ] + k 3 [O 3 ] Legge cinetica per la decomposizione dell’ozono: è priva di un ordine di reazione ben definito! Le costanti cinetiche k dei processi elementari dipendono da Ambiente di reazione (gas o soluzione?, quale solvente?) Dalla temperatura: k (T ) Empiricamente si trova che spesso k (T ) è data dall’ equazione di Arrhenius : k (T ) = A exp( − Ea / RT ) T = temperatura assoluta (in Kelvin) R = costante dei gas (8.314 J / K mol) Ea = Energia di attivazione (J/mol) A = fattore pre-esponenziale ≡ k |T =∞ Ea 1 ln k = ln A − R T Quale significato per l’energia di attivazione? Stato di transizione E≠ E0 Coordinata di reazlone Nota finale importante: in ambito ambientale, per le reazioni di degradazione di specie inquinanti si assume una legge cinetica del 1° ordine. Come si giustifica? Consideriamo il caso di un solo processo. Ipotesi: siano coinvolti A1, A2,… reagenti chimici degradanti a concentrazione costante nell’ambiente, e la specie inquinante X a bassa concentrazione: legge cinetica: − d [X] = f ([X],[A1],[A 2 ],⋯) ≡ F ([X]) dt trattati come parametri (fissi) della funzione F Espansione lineare della legge cinetica per [X] → 0 : F ([X]) = F (0) + F '(0)[X] = k R [X] 0 kR d [X] − = k R [X] dt Analogamente in presenza di più processi di degradazione…