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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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