Química Essencial: Velocitat de Reacció, Combustió i Contaminació

Cinètica Química: Velocitat de Reacció

Llei de Velocitat de Reacció

La velocitat de reacció (v) es pot expressar com: v = K · [A]a · [B]b

On [A] i [B] són les concentracions dels reactius, expressades en mol/L.

Càlcul de la Velocitat de Reacció

La velocitat d'una reacció química es pot obtenir a partir de la velocitat de reacció de qualsevol de les substàncies que hi participen, dividint pel seu coeficient estequiomètric i canviant el signe en cas de tractar-se d'un reactiu.

El Complex Activat i la Temperatura

A major temperatura, major agitació tèrmica. Per tant, com més elevada és la temperatura, més energia tenen les molècules, amb la qual cosa es podrà arribar al complex activat.

Factors que Afecten la Velocitat de Reacció

• Temperatura
• Concentració dels reactius
• Natura de les substàncies
• Estat físic
• Grau de divisió (per a sòlids)
• Catalitzadors

Catalitzadors

Els catalitzadors són substàncies específiques i necessàries en petites quantitats per accelerar una reacció química sense consumir-se.

Impacte Ambiental de la Combustió de Benzina

Idealment, la combustió de la benzina hauria d'expulsar només CO₂ i H₂O, però també s'emeten altres substàncies contaminants.

Emissions Contaminants de la Combustió

• Hidrocarburs sense cremar: Ajuden a l'aparició de la boira fotoquímica i són irritants.
• Monòxid de carboni (CO): No tot el carboni dels hidrocarburs es converteix en diòxid de carboni; una part queda en forma de monòxid de carboni. Aquest és un gas perillós perquè es combina de forma irreversible amb l'hemoglobina de la sang, impedint el transport d'oxigen a l'organisme.
• Òxids de nitrogen (NOx): Per a la combustió de la benzina, és necessari subministrar aire al motor per aportar l'oxigen. L'aire conté un 79% de gas dinitrogen (N₂). Tot i que el dinitrogen és molt estable, en les condicions d'elevada pressió i temperatura del motor, reacciona amb l'oxigen produint òxids de nitrogen (NOx). El NO₂ és un gas corrosiu per a la pell i el tracte respiratori, a més d'un dels causants de la pluja àcida.
• Boira fotoquímica i Ozó (O₃): Un problema addicional és que els hidrocarburs i els òxids de nitrogen, en ser alliberats a l'atmosfera, experimenten una sèrie de reaccions complexes catalitzades per la llum solar. Aquestes reaccions augmenten les concentracions de NO₂ i ozó (O₃) a la troposfera (la capa més baixa de l'atmosfera). Tot això genera l'anomenada boira fotoquímica, que és irritant, nociva i, en alguns casos, tòxica.
• Òxids de sofre (SOx): Quan la benzina es crema, es produeixen òxids de sofre (SOx) perquè el sofre es troba a la benzina com a impuresa. Els òxids de sofre són irritants i un dels responsables de la pluja àcida.

Resum d'Emissions de la Combustió Incompleta

Les emissions resultants de la combustió incompleta de la benzina inclouen:

• Diòxid de carboni (CO₂)
• Vapor d'aigua (H₂O)
• Hidrocarburs sense cremar
• Monòxid de carboni (CO)
• Òxids de nitrogen (NO, NO₂)
• Òxids de sofre (SO₂, SO₃)

Funció del Convertidor Catalític

El convertidor catalític utilitza diferents metalls per neutralitzar els contaminants:

• Sobre el catalitzador de rodi, el monòxid de nitrogen (NO) es redueix a dinitrogen (N₂) i oxigen (O₂).
• Sobre els catalitzadors de platí i pal·ladi, tenen lloc oxidacions catalítiques:
  • El monòxid de carboni (CO) es transforma en diòxid de carboni (CO₂).
  • Els hidrocarburs sense cremar passen a diòxid de carboni (CO₂) i vapor d'aigua (H₂O).

Conceptes Químics Fonamentals

Fórmules i Càlculs Bàsics

• Densitat: massa / volum
• Percentatge en massa (%): (grams de solut / grams de dissolució) × 100
• Fracció molar: Mols del component / Mols totals

Exemple de Dilució

Si agafem 200 ml d'una dissolució 2M d'hidròxid de sodi (NaOH) i s'hi afegeixen 350 ml d'aigua, caldria calcular la concentració final de la dissolució diluïda.

Substàncies Comunes

• Salfumant: HCl (Àcid Clorhídric)
• Per calcular la molaritat de cada component, cal tenir en compte que, en el cas de líquids, el volum total és la suma dels volums.
• Recorda que per calcular la molaritat, sempre cal dividir els mols entre el volum total de la dissolució (en litres).

Reacció de Combustió

Una reacció de combustió típica amb oxigen (O₂) produeix diòxid de carboni (CO₂) i aigua (H₂O).

Càlculs en Reaccions Químiques

• Puresa: (massa pura / massa total) × 100
• Rendiment: (massa obtinguda / massa teòrica) × 100

Elements Diatòmics

Alguns elements que es troben en forma diatòmica (molècules de dos àtoms) són: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂.

Unitats de Pressió

La pressió atmosfèrica estàndard és de 760 mmHg.

Reaccions Químiques Generals

En algunes reaccions, com les de desplaçament, un metall base pot reaccionar amb un compost, intercanviant components.

Amb un àcid, una substància pot cedir protons (H⁺).

Compostos Orgànics

• Acetilè: C₂H₂
• Reaccions de l'Acetilè:
  CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂
  2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O
• Etanol: C₂H₆O

Reactius Limitants i en Excés

En una reacció química, un reactiu pot estar en excés respecte a un altre, determinant quin és el reactiu limitant.