Aspetti termodinamici e cinetici Quando si verifica una reazione? Dal bilancio energetico tra prodotti e reganti In genere una reazione è spontanea quando i prodotti hanno una energia minore dei reagenti Dalla velocità con cui avviene la reazione E' ovvio che una reazione utile, oltre ad essere possibile da un punto di vista energetico, deve avvenire con una velocità ragionevole (ore o giorni), e non nel corso dei secoli 1 Riassumendo, di fronte ad un sistema chimico occorre saper rispondere alle seguenti domande 1) In che direzione reagisce il sistema? Variazione di energia 2) Con che velocità reagisce? Cinetica di reazione 3) Come avviene la reazione? Meccanismo di reazione -Variazione di energiaIl calore sviluppato o assorbito in una reazione chimica a Temperatura e Pressione costante è chiamato calore di reazione o variazione di entalpia e si indica con il segno DH 2 Si possono avere due casi: entalpia H CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O DH = -192 kcal/mol CH4 + 2O2 -DH CO2 + 2H2O coordinata di reazione Hp - Hr = -DH reazione esotermica 3 _ entalpia H CH3 CH3 Pd CH2=CH2 + H2 DH = 28 kcal/mol CH2=CH2 + H2 CH3_CH3 +DH coordinata di reazione Hp - Hr = +DH reazione endotermica 4 -EntropiaSpesso si osserva che le reazioni chimiche procedono spontaneamente nella direzione che si sviluppa calore Reazione Esotermica = spontanea (in realtà non è sempre vero) Ad esempio l’evaporazione dei liquidi sono processi spontanei anche se endotermici Ciò significa che esiste un altro fattore di cui bisogna tener conto per sapere se una reazione è spontanea Cioè oltre al fattore energetico (Entalpia, H) nelle trasformazioni chimiche bisogna tener conto anche del fattore entropico (Entropia, S) 5 Un sistema chimico infatti tende: 1) Ad uno stato in cui il suo contenuto termico sia minimo 2) Ad uno stato in cui il disordine molecolare sia massimo, come avviene nei passaggi di stato: Stato solido Stato liquido Stato gassoso E' chiaro che la reazione avviene spontaneamente nella direzione che permette di raggiungere uno stato di compromesso ottimale 6 REAGENTI PRODOTTI in cui la libertà delle molecole è maggiore di quella dei reagenti avviene con una variazione positiva di entropia (+DS) FAVORITE PRODOTTI in cui la libertà delle molecole è minore di quella dei reagenti avviene con una variazione negativa di entropia (-DS) SFAVORITE 7 Un sistema tende a reagire in modo da raggiungere Il minimo contenuto termico, minimo valore di entalpia H Il massimo disordine, massimo valore di entropia S Reazione spontanea DG < 0 DG = DH – TDS Equazione di Gibbs-Helmholtz In pratica per reazioni che a temperatura ambiente hanno un elevato valore negativo di entalpia (DH ~ -15 kcal/mole) il termine -TDS non riesce a ribaltare il segno cosicchè, di fatto le reazioni fortemente esotermiche hanno anche un DG negativo e procedono da sinistra verso destra A + B C + D DG < 0 E’ chiaro che se una reazione mostra un DG > 0 la reazione sarà spontanea in senso inverso 9 -Velocità di reazione Fino adesso abbiamo visto l’aspetto energetico delle reazioni chimiche, e siamo in grado di sapere in che direzione tende a muoversi un sistema Spesso si verifica il fatto che una reazione chimica, con un DG favorevole alla formazione dei prodotti, avviene con una velocità talmente piccola da essere trascurabile CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O DH = -192 kcal/mol A T° ambiente (25 °C) la miscela può essere tenuta per anni senza che si noti la formazione dei prodotti, cioè ha una velocità molto bassa 10 Se la reazione viene innescata -alta temperatura-fiamma o scintillala velocità di reazione diventa elevata al punto di trasformare la combustione in un fenomeno esplosivo CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O DH = -192 kcal/mol 11 La velocità di reazione (dato sperimentale) è data dalla quantità di C che si forma nell’unità di tempo o (il che è equivalente), dalla quantità di A e B che scompaiono nell’unità di tempo A + B v = k [A]x [B]y C (k = costante di proporzionalità) L’ordine di reazione, è dato dalla somma degli esponenti (x+y) delle concentrazioni dei vari reagenti che entrano a far parte nell’equazione di velocità 12 -Energia di attivazione Affinché i reagenti, in una reazione chimica, possono scontrarsi per reagire e trasformarsi in prodotti (urto efficace) devono avere una energia superiore all’energia media del sistema Esiste cioè una barriera energetica, che deve essere superata perché possa avvenire la reazione, tale barriera viene chiamata energia di attivazione, e viene indicata con il simbolo Eatt ÷ D G‡ ÷ D H‡ 13 Le reazioni chimiche sono accelerate da un aumento di temperatura in modo molto netto, al punto di raddoppiare la loro velocità per un aumento di temperatura di 10 °C Ciò è dovuto al fatto che un piccolo aumento di temperatura aumenta di molto la frazione di molecole che hanno un energia maggiore o uguale all’energia di attivazione . ... .. .. ..... ... . . . . .. .. .. ..... .. . . . . ... .. .. ..... ... . . . . . .. .. ... .. .... .. . . .. .. .. ..... ... . . T1 T1+ 10 °C T1+ 20 °C . ... .. .. ..... .. . . . Questo comporta ovviamente un aumento della velocità di reazione 14 Un altro sistema per accelerare una reazione consiste nell’abbassare la soglia energetica da superare perché la reazione avvenga Questo scopo viene raggiunto impiegando un catalizzatore Un catalizzatore infatti si combina, in modo temporaneo, con i reagenti e forma uno stato di transizione con una energia di attivazione minore dell’energia di attivazione della reazione non catalizzata 15 Energia Eatt *Eatt reagenti prodotti Coordinata di reazione *Eatt della reazione con catalizzatore Eatt della reazione senza catalizzatore 16 Stato di transizione ‡ Energia Eatt L’insieme degli atomi nel punto di massima si chiama stato di transizione Ereagenti Eprodotti DH < 0 Progresso della reazione dai reagenti verso i prodotti Nello stato di transizione gli atomi non sono più legati come lo erano nei reagenti, ma non si sono ancora trasformati in prodotti Eatt deve essere determinata sperimentalmente per ogni reazione 17 18