Velocità di reazione

Per molte reazioni, un aumento di temperatura di 10 °C raddoppia all'incirca la velocità: ecco perché il cibo si conserva per giorni in frigorifero, ma va a male su un piano di cucina caldo.

Un'esplosione si conclude in una frazione di secondo. La formazione della ruggine richiede anni. La velocità di una reazione indica quanto rapidamente si consumano i reagenti o si formano i prodotti, per esempio in moli per litro al secondo. Due reazioni con la stessa equazione possono procedere a velocità molto diverse in condizioni differenti. Gran parte della chimica, dalla cucina alla medicina all'industria, serve a controllare questa velocità.

Teoria degli urti

La teoria degli urti spiega la velocità con tre idee. Primo, le particelle devono incontrarsi: la velocità dipende dalla frequenza degli urti tra le particelle dei reagenti. Secondo, devono incontrarsi con l'orientamento giusto, con gli atomi destinati a legarsi rivolti gli uni verso gli altri. Terzo, devono urtarsi con energia sufficiente a raggiungere l'energia di attivazione. Solo gli urti che soddisfano tutte e tre le condizioni producono i prodotti. Nel laboratorio osserva il conteggio degli urti degli ultimi cinque secondi e quanti avevano energia sufficiente. La maggior parte degli urti è un semplice rimbalzo.

Cinque fattori che modificano la velocità

Il primo fattore è la natura dei reagenti. Piccoli pezzi di sodio e ferro lasciati all'aria si comportano in modo molto diverso: il sodio reagisce completamente nel corso della notte, mentre il ferro viene appena intaccato. Il calcio reagisce con l'acqua a velocità moderata, il sodio in modo quasi esplosivo. La superficie di contatto conta quando un solido reagisce con un liquido o un gas, perché la reazione avviene solo dove si toccano. I grossi ceppi bruciano lentamente, i rametti in fretta e la segatura dispersa nell'aria può bruciare in modo esplosivo. La polvere di ferro produce effervescenza in un acido diluito molto più rapidamente di un chiodo di ferro.

La temperatura è il terzo fattore. Le particelle più calde si muovono più velocemente: si urtano più spesso e una frazione molto maggiore degli urti ha energia sufficiente per reagire. In molti processi la velocità raddoppia all'incirca per ogni aumento di 10 °C. Il quarto fattore è la concentrazione: più particelle nello stesso spazio significano più urti. Il fosforo brucia molto più rapidamente nell'ossigeno puro che nell'aria, che contiene solo circa il 20% di ossigeno. Il quinto è un catalizzatore, una sostanza che accelera una reazione senza consumarsi. Il perossido di idrogeno si decompone molto lentamente nella bottiglia, ma versato su un taglio fa subito schiuma, perché alcune sostanze nei tessuti agiscono da catalizzatori.

Quantificare l'effetto della temperatura

Il chimico svedese Svante Arrhenius descrisse come la costante di velocità k dipende dalla temperatura: k = A·e^(−Eₐ/RT), dove R vale 8.314 J per mole per kelvin e T è la temperatura in kelvin. Il termine esponenziale rappresenta la frazione di urti con energia sufficiente e cresce rapidamente con la temperatura. Per una reazione con energia di attivazione di 50 kJ per mole, passare da 25 °C a 35 °C moltiplica la velocità per circa 1.92, vicino alla regola del raddoppio. Raffreddare la stessa reazione a 0 °C riduce la velocità a circa 0.16 del valore a 25 °C. L'ultima riga dei dati del laboratorio esegue questo calcolo per qualunque temperatura tu scelga.

Il modello a particelle del laboratorio usa una barriera energetica abbassata, in modo che le reazioni compaiano in pochi secondi anziché non avvenire mai. Serve a mostrare l'andamento: più velocità, più particelle e una barriera più bassa rendono la linea verde più ripida. Nota anche che la linea blu si appiattisce nel tempo. Man mano che i reagenti si consumano, ci sono meno particelle A disponibili per gli urti: la reazione rallenta da sola anche a temperatura costante.