Diapositiva 1 - La chimica della II F

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a a La cinetica chimica è la branca della chimica che studia la dinamica delle reazioni chimiche e, in particolare, la loro velocità

La cinetica chimica è molto importante Molte reazioni, anche se spontanee, avvengono così lentamente per cui, di fatto, è come se non avvenissero I combustibili, ad esempio, non bruciano senza innesco

Velocità di reazione La velocità di reazione è la variazione della concentrazione dei reagenti Δ[R], o dei prodotti [ΔP], nell’intervallo di tempo Δt

P  R  v  t t

Sperimentalmente si è potuto stabilire che la velocità della maggior parte delle reazioni chimiche dipende dalla concentrazione dei reagenti

temperatura

Reazione generica aA + bB  prodotti

natura dei reagenti dipende da

v  k  A  B  n

Legge cinetica

m

k = costante cinetica n = ordine di reazione rispetto ad A

m = ordine di reazione rispetto a B m + n = ordine di reazione

Ordine di reazione Una reazione potrà essere di ordine zero (n + m = 0), del primo ordine (n + m = 1), del secondo ordine, … … in base all’ordine di reazione, riportando in grafico la concentrazione del reagente in funzione del tempo, si otterrà un grafico diverso

La determinazione dell’ordine di una reazione è un dato sperimentale

Equazione di Arrhenius S. A. Arrhenius - 1889 premio Nobel per la chimica nel 1903 per la sua teoria sul trasferimento di ioni visti come responsabili del passaggio di elettricità

Arrhenius propose la seguente relazione per calcolare k

k  Ae

 Eatt RT

la velocità di una reazione dipende dalla temperatura e da un fattore energetico detto energia di attivazione

A è una costante che dipende dalla natura dei reagenti e = 2,718 è la base dei logaritmi naturali o neperiani Eatt è l'energia di attivazione della reazione R è la costante universale dei gas T è la temperatura assoluta (K)

Teoria degli urti La modalità principale per cui avvengono le trasformazioni chimiche viene spiegata attraverso la teoria degli urti Le molecole dei reagenti possono scambiarsi gli atomi e dare luogo ai prodotti solo se, urtandosi, vengono in reciproco contatto

la velocità di una reazione dipende dalla frequenza degli urti efficaci

Teoria dello stato di transizione

I reagenti, anche nelle reazioni esoergoniche devono comunque superare una barriera energetica per potersi trasformare nei prodotti Le molecole possono reagire in seguito a uno specifico aumento dell’energia potenziale detto energia di attivazione … … l’energia minima che occorre ai reagenti per rompere alcuni dei loro legami e per iniziare una reazione

Il modello prevede che durante la reazione si formi un composto instabile, detto complesso attivato o stato di transizione, il cui contenuto energetico risulta più elevato e che condiziona la velocità della reazione stessa

Lo stato di transizione è la fase della reazione in cui si stanno rompendo i legami dei reagenti e sono in via di formazione i legami tra le molecole dei prodotti, con la formazione di un composto intermedio detto complesso attivato

Nelle reazioni a più stadi deve essere superata più di una barriera energetica (si formano diversi stadi di transizione e dei composti intermedi) e la velocità complessiva della reazione dipende evidentemente dallo stadio più lento

Fattori che influenzano v – temperatura All’aumentare della temperatura cresce l’energia cinetica delle particelle

Nello stesso senso cresce quindi la frequenza e la violenza degli urti Cresce pertanto anche il numero degli urti efficaci

La velocità delle reazioni aumenta all’aumentare della temperatura

Fattori che influenzano v – natura chimica dei reagenti Gli urti tra le molecole dei reagenti avvengono solo alla superficie di questi ultimi; nei corpi solidi solo la superficie è realmente interessata dalla reazione Maggiore è la superficie esposta alla reazione e maggiore sarà la velocità di quest’ultima

La superficie aumenta con la suddivisione dei reagenti

La velocità delle reazioni aumenta con la suddivisione dei reagenti.

Un granello di sostanza è formato comunque da centinaia di migliaia o da milioni di atomi (le dimensioni dell’atomo sono infatti dell’ordine dei decimilionesimi di millimetro) L’unico sistema per suddividere ulteriormente le sostanze è quello, se possibile, di scioglierle in una soluzione In soluzione le reazioni sono più veloci

Viceversa, volendo rallentare reazioni che normalmente avvengono in acqua è possibile disidratare le sostanze

Per questo motivo gli esseri viventi sono costituiti in abbondanza di acqua, che è un ottimo solvente Questo principio viene sfruttato nella conservazione degli alimenti in polvere oppure sotto sale

Anche la geometria delle molecole è importante Perché si formi un legame è necessario che le molecole si urtino nel modo giusto (urti efficaci) … … all’aumentare della complessità geometrica dei reagenti gli urti efficaci sono sempre più difficoltosi

O3 + NO⇆O2+NO2

La velocità delle reazioni chimiche diminuisce all’aumentare delle dimensioni e della complessità dei reagenti

Fattori che influenzano v – concentrazione Nel recipiente in cui avviene una reazione il numero degli urti tra le molecole reagenti cresce col numero di particelle presenti per unità di volume, ovvero all'aumentare della loro concentrazione

v = velocità di reazione

C + O2 ⇆ CO2

v = k [C] [O2]

k = costante di proporzionalità [C] = concentrazione molare del carbonio

[O2] = concentrazione molare dell’ossigeno

Fattori che influenzano v – tipo di reazione

Nelle reazioni eterogenee la velocità è tanto maggiore quanto maggiore è lo stato di suddivisione del reagente solido in quanto aumenta la superficie di contatto

Fattori che influenzano v – energia di attivazione

C + O2 ⇆ CO2

C+O+O

Anche se esotermica e spontanea, la reazione avviene solo grazie ad un innesco

Energia di attivazione

C + O2 Inizialmente è necessario fornire energia per rompere i legami all’interno dei reagenti

CO2 Si definisce energia di attivazione la quantità minima di energia necessaria ai reagenti perché una reazione possa avvenire Se la reazione è esotermica, una volta iniziata si autosostiene L’energia di attivazione è un importante fattore di controllo delle reazioni

Fattori che influenzano v – catalizzatori Per accelerare una reazione non sempre è possibile scaldare i reagenti, suddividerli oppure averli in elevate concentrazioni

2 H2 + O2 ⇆ 2 H2O

Tuttavia, se abbassiamo l’energia di attivazione ed avviciniamo tra loro i reagenti, in modo che entrino in contatto con le zone che effettivamente reagiscono, la velocità della reazione aumenta ugualmente

H2O O2 H2 A

B

C

D

Il platino lega temporaneamente l’idrogeno → la concentrazione aumenta → si libera calore che rompe i legami → aumenta la frequenza degli urti efficaci

La reazione avviene velocemente ed a freddo Il platino non viene consumato, in quanto di fatto non partecipa alla reazione

Catalizzatore: sostanza che accelera una reazione chimica senza parteciparvi e quindi senza essere consumato

I catalizzatori abbassano l’energia di attivazione ed aumentano la frequenza degli urti efficaci I catalizzatori hanno un impiego vastissimo

Enzimi: particolare classe di proteine con funzione di catalizzatori biologici

Attivi in tutti i tipi di cellule, rendono possibile lo svolgimento contemporaneo, e senza interferenza, di moltissime reazioni chimiche, a basse temperature e con concentrazioni ridotte

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