Reacții lente și rapide

Viteza unei reacții arată cât de repede se consumă reactanții ori apar produșii. Explozia, arderea, neutralizarea și precipitarea sunt procese rapide; ruginirea și fermentația sunt lente. În reacția zincului cu acid clorhidric, încălzirea, creșterea concentrației acidului și mărunțirea zincului cresc viteza de degajare a hidrogenului. Un catalizator accelerează reacția printr-o cale cu barieră energetică mai mică; $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$ accelerează descompunerea ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$. Viteza se urmărește prin volumul gazului format, schimbarea culorii, masa pierdută când gazul iese din vas sau concentrația măsurată în timp.

Reacțiile se aranjează pe o scară a duratei. Reacțiile dintre ioni în soluție, ca precipitarea $\mathrm{AgCl}$ sau neutralizarea acidului clorhidric cu hidroxid de sodiu, au loc în clipa amestecării, deoarece ionii sunt deja separați și se întâlnesc imediat. Arderile și exploziile durează fracțiuni de secundă sau secunde. Fermentația mustului durează zile, ruginirea unei piese de fier durează luni sau ani, iar formarea cărbunelui din resturi vegetale durează milioane de ani. Amestecul de hidrogen și oxigen, păstrat la temperatura camerei, nu reacționează vizibil, dar explodează la apropierea unei scântei. Praful de făină sau de cărbune, dispersat în aer, arde exploziv, deși aceleași substanțe în bucăți mari ard liniștit: suprafața de contact mare grăbește reacția. Alimentele se păstrează în frigider fiindcă la temperatură mai mică reacțiile de alterare decurg mai încet.

Concentrația reactanților influențează viteza: un cărbune incandescent arde cu flacără vie într-un vas cu oxigen pur, unde concentrația oxigenului este de aproximativ cinci ori mai mare decât în aer, care conține $21\%$ oxigen în volum. La gaze, creșterea presiunii mărește concentrația și, odată cu ea, viteza. Natura reactanților contează: sodiul reacționează violent cu apa rece, iar magneziul reacționează cu ea foarte lent. Enzimele schimbă drumul reacției: amilaza din salivă descompune amidonul din pâine în câteva minute.

Viteza medie pe un interval este raportul dintre cantitatea transformată și durată: $v=|\Delta n|/\Delta t$, cu unitatea mol/s. În soluție se folosește concentrația, $v=|\Delta c|/\Delta t$, cu unitatea mol/(L·s); numărul de moli se împarte la volumul soluției pentru a trece de la o formă la cealaltă.

Exemplul 1: bucăți de marmură, $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$, într-un exces de acid clorhidric, $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3+2HCl\to \mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Vasul, deschis, este așezat pe un cântar, iar dioxidul de carbon iese din vas. Masa scade cu $0,44$ g în primele $60$ s și cu $0,22$ g în următoarele $60$ s.

1. $M(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2)=44$ g/mol, deci în primul minut $n=0,44/44=0,010$ mol de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, adică $0,010$ mol de $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ consumat ($1,0$ g).
2. Viteza medie în primul minut: $v_1=0,010/60=1,7\cdot 10^{-4}$ mol/s.
3. În al doilea minut: $n=0,22/44=0,0050$ mol, deci $v_2=0,0050/60=8,3\cdot 10^{-5}$ mol/s.
4. Viteza se înjumătățește, pentru că acidul se diluează și bucățile de marmură se micșorează.

Exemplul 2: tiosulfatul de sodiu reacționează cu acidul clorhidric, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2{\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_3+2HCl\to 2NaCl+\mathrm{S}+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Sulful format tulbură soluția și ascunde o cruce desenată sub vas. Se măsoară timpul până la dispariția crucii, pentru soluții identice: $80$ s la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, $40$ s la $30{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $20$ s la $40{}^{\circ }\mathrm{C}$.

1. În toate probele s-a format aceeași cantitate de sulf, deci viteza este proporțională cu $1/t$.
2. Raportul vitezelor este $1/80:1/40:1/20=1:2:4$.
3. În acest experiment, o creștere a temperaturii cu $10{}^{\circ }\mathrm{C}$ dublează viteza.

O probă de $0,25$ g de $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ pulbere reacționează cu acid clorhidric în exces. Volumul de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ (c.n.) măsurat din $10$ în $10$ s este $20$; $34$; $44$; $50$; $54$; $56$ și $56$ mL.

1. Viteza volumică în intervalul $0$–$10$ s este $20/10=2,0$ mL/s, iar în $20$–$30$ s este $(44-34)/10=1,0$ mL/s. Viteza scade, deoarece reactantul se consumă.
2. Volumul se oprește la $56$ mL, deci reacția s-a încheiat; $n(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2)=0,056/22,4=0,0025$ mol, adică $0,25$ g de $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ ($0,0025\cdot 100$).
3. O bucată compactă de aceeași masă dă o curbă mai puțin înclinată, dar același platou de $56$ mL; la $40{}^{\circ }\mathrm{C}$ curba pulberii urcă mai repede.

Într-o comparație experimentală schimbă o singură condiție: pulbere și bucată izolează suprafața de contact, iar două temperaturi izolează efectul căldurii. Panta graficului volum–timp exprimă viteza, iar platoul final arată consumarea reactantului limitant. Viteza la un moment dat este panta tangentei la curbă în acel punct; ea scade în timp pe măsură ce reactanții se consumă, deci curba se aplatizează.

Tip complement grupat: viteza reacției dintre zinc și acid clorhidric crește dacă:

1. zincul este mărunțit;
2. soluția de acid este diluată;
3. amestecul este încălzit;
4. se adaugă mai mult acid de aceeași concentrație peste un exces deja existent.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Răspuns corect: B. Mărunțirea mărește suprafața de contact, iar încălzirea mărește viteza. Diluarea scade concentrația acidului și deci viteza (afirmația 2 este falsă), iar un volum suplimentar de acid de aceeași concentrație nu schimbă concentrația și nici viteza (afirmația 4 este falsă).

Greșeli frecvente

• Greșit: Zincul mărunțit produce mai mult hidrogen decât aceeași masă de zinc compact când acidul este în exces.
  Corect: produce gazul mai repede în aceleași condiții, dar cantitatea finală este aceeași.
• Greșit: Coroziunea lentă nu este reacție chimică.
  Corect: fierul formează compuși noi prin reacții redox.
• Greșit: O reacție care degajă multă căldură este și rapidă.
  Corect: efectul termic și viteza sunt mărimi diferite; ruginirea este exotermă, dar lentă.
• Greșit: Încălzirea mărește viteza numai la reacțiile endoterme.
  Corect: viteza crește cu temperatura atât la reacțiile endoterme, cât și la cele exoterme.

Înainte și după