L’energia e la velocità delle reazioni chimiche CAPITOLO L’energia e la velocità delle reazioni chimiche 10 Indice 1. Scambio di energia nelle reazioni chimiche 2. Misura del calore di reazione: il calorimetro 3. Entalpia di reazione 4. L’entropia 5. Perché avvengono le reazioni chimiche Mappa concettuale: Energia delle reazioni chimiche 6. La velocità delle reazioni chimiche 7. Teoria delle collisioni ed energia di attivazione 8. Fattori che influenzano la velocità di reazione 1

Scambio di energia nelle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche In una reazione chimica si ha sviluppo o assorbimento di energia che, in prevalenza, si manifesta sotto forma di calore. Per studiare il calore di una reazione è opportuno definire il concetto di sistema e di ambiente. Per sistema s’intendono le sostanze che partecipano ad una trasformazione chimica o fisica. Per ambiente s’intende tutto ciò che è esterno al sistema. 2

Scambio di energia nelle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche Un sistema può essere: Sistema aperto Sistema chiuso Sistema isolato Il calore liberato o assorbito in una reazione chimica prende il nome di calore di reazione. 3

Scambio di energia nelle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche Le reazioni che sviluppano calore vengono definite esotermiche. Combustione del metano in un bruciatore domestico. In seguito alla reazione si ha un notevole abbassamento della temperatura; il fondo del becher diventa così freddo da gelare le gocce d’acqua sulla tavoletta sottostante, per cui si attacca a questa. Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore vengono definite endotermiche. 4

Scambio di energia nelle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche Quella parte della chimica che studia e misura il calore di una reazione chimica prende il nome di termochimica. La termochimica è una branca della termodinamica, disciplina che studia le relazioni tra il calore e le altre forme di energia. 5

Misura del calore di reazione: il calorimetro CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 2 Misura del calore di reazione: il calorimetro Il calore sviluppato o assorbito in una reazione chimica o in un processo fisico è determinato sperimentalmente con il calorimetro. Esistono due tipi di calorimetro: CALORIMETRO A TAZZA. Il vaso calorimetrico è a doppia parete come un thermos. Il calorimetro a tazza, particolarmente indicato per misurare il calore delle reazioni che si verificano in soluzione acquosa. 6

Misura del calore di reazione: il calorimetro CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 2 Misura del calore di reazione: il calorimetro La bomba calorimetrica, particolarmente indicata per misurare il calore di combustione di un combustibile e il contenuto energetico degli alimenti. 7

Hreaz = Hprodotti − Hreagenti CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 3 Entalpia di reazione Per le reazioni chimiche realizzate in laboratorio si utilizzano recipienti aperti (becher, provette, beute), per cui il sistema si trova sottoposto a pressione costante, quella atmosferica. In queste condizioni, è utile introdurre una nuova grandezza, l’entalpia, indicata con la lettera H, che rappresenta l’energia chimica potenziale di una sostanza pura a pressione costante. La variazione di entalpia di una reazione (H) è data da: Hreaz = Hprodotti − Hreagenti La variazione di entalpia è la quantità di calore che viene ceduto o assorbito in una reazione chimica condotta a pressione costante. Il H viene riportato a parte, a destra dell’equazione, e si fa precedere dal segno algebrico + se la reazione è endotermica o dal segno − se la reazione è esotermica. 8

CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ 4 L’entropia DELLE REAZIONI CHIMICHE 4 L’entropia Nel 1877 Ludwig Boltzmann introdusse il concetto di entropia, simbolo S, come misura del grado di disordine di un sistema. Inoltre constatò che statisticamente maggiore è il disordine, maggiore è l’entropia.   Aprendo il rubinetto, i due gas si mescolano creando notevole disordine molecolare (alta entropia). Nella situazione iniziale si ha basso disordine molecolare (bassa entropia). L’entropia, S°, è una grandezza termodinamica la cui unità di misura è J/mol.K 9

Perché avvengono le reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 5 Perché avvengono le reazioni chimiche Per prevedere se due sostanze, in contatto tra loro, possono dare spontaneamente una reazione, si devono considerare quali sono le grandezze che influenzano i processi spontanei. Spontaneità ed energia L’energia di una reazione non è il solo fattore che determina la spontaneità di un processo perché esistono reazioni spontanee con H° negativo (reazioni esotermiche), ma anche con H° positivo (reazioni endotermiche). Spontaneità e disordine L’entropia da sola non dà indicazioni sulla spontaneità di una reazione; infatti esistono reazioni spontanee in cui il processo si verifica con S° negativo (diminuzione di entropia), mentre altre non sono spontanee neanche se il processo si verifica con un aumento di entropia (S°positivo). 10

Perché avvengono le reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 5 Perché avvengono le reazioni chimiche L’energia libera di Gibbs La tendenza di una reazione ad avvenire spontaneamente dipende sia da H° sia da S°. La grandezza termodinamica energia libera di Gibbs, simbolo G, tiene conto di entrambi i fattori: G = H  TS A temperatura e pressione costanti, la variazione di energia libera di una reazione è data dalla relazione: G° = H°  T S° G°  0 la reazione è spontanea G°  0 la reazione non è spontanea G°  0 la reazione è all’equilibrio 11

Mappa concettuale: Energia delle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Mappa concettuale: Energia delle reazioni chimiche ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE REAZIONI ENDOTERMICHE Necessitano di calore per avvenire REAZIONI ESOTERMICHE Sviluppano calore VARIAZIONE DI ENTALPIA DI REAZIONE ΔH° Calore scambiato in una reazione chimica o in una trasformazione fisica, a pressione costante ΔH° POSITIVO ΔH° NEGATIVO VARIAZIONE DI ENTROPIA ΔS° Misura del disordine degli atomi o delle molecole in un processo chimico o fisico VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA ΔG° ΔG° = ΔH° − TΔS° Se ΔG° è negativo, il processo procede spontaneamente nel verso in cui stato scritto 12

La velocità delle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 6 La velocità delle reazioni chimiche Le reazioni chimiche procedono con differente velocità: Il ferro si trasforma in ruggine: la reazione viene considerata molto lenta perché si verifica in un tempo molto lungo. Un’esplosione è una reazione molto veloce perché si realizza in tempo molto breve. La maturazione di ortaggi e di frutti è una reazione con velocità moderata perché si verifica nell’arco di qualche giorno. Lo studio della velocità di una reazione è chiamata cinetica chimica. 13

La velocità delle reazioni chimiche CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 5 La velocità delle reazioni chimiche La velocità media di una reazione è definita come la variazione di concentrazione di un reagente o di un prodotto diviso l’intervallo di tempo in cui tale variazione si verifica In una generica reazione:   A + B  C Rappresentazione grafica della variazione di concentrazione dei reagenti (A o B) e del prodotto di reazione (C) in funzione del tempo. la concentrazione dei reagenti A e B diminuisce man mano che cresce il tempo dall’inizio della reazione, mentre la concentrazione del prodotto, C, aumenta. 14

Teoria delle collisioni ed energia di attivazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 7 Teoria delle collisioni ed energia di attivazione Perché una reazione chimica tra sostanze possa avvenire, le particelle (molecole, atomi, ioni) devono collidere: è questa l’idea su cui poggia la teoria delle collisioni. Le collisioni, inoltre, devono essere efficaci, cioè con una energia cinetica uguale o superiore ad un valore Ea, chiamata energia di attivazione. Le collisioni delle molecole dei reagenti sono efficaci: la reazione tra H2 e O2 porta alla formazione di H2O. Le collisioni sono inefficaci: le molecole rimbalzano inalterate. 15

Teoria delle collisioni ed energia di attivazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 7 Teoria delle collisioni ed energia di attivazione Per la formazione dei prodotti di una reazione risulta importante l’orientamento molecolare durante la collisione. a b L’IMPORTANZA DELL’ORIENTAZIONE MOLECOLARE IN UNA COLLISIONE EFFICACE. (a) Due esempi di urti inefficaci; (b) urto efficace, favorito dall’orientazione favorevole delle molecole o fattore sterico, che porta alla formazione dei prodotti. 16

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione a. Natura delle sostanze reagenti Ciascuna reazione chimica presenta una sua caratteristica velocità che dipende dalla natura dei reagenti. H2(g) + F2(g)  2 HF(g) veloce H2(g) + Cl2(g)  2 HCl(g) lenta Il legame in F2 si rompe più facilmente che in Cl2. 17

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione b. Temperatura di reazione La velocità di qualsiasi reazione cresce con l’aumentare della temperatura. Infatti, per un aumento della temperatura di 10 °C, la velocità di una reazione può raddoppiare o triplicare. Il pesce si deteriora rapidamente se è conservato a temperatura ambiente. 18

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione Dipendenza del numero di collisioni dalle concentrazioni dei reagenti. c. Concentrazione dei reagenti Ad un aumento della concentrazione delle sostanze reagenti corrisponde sempre un aumento della velocità di reazione perché cresce il numero delle collisioni. 19

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione d. Superficie di contatto A parità di massa, se la superficie di contatto è maggiore si ha sempre un aumento della velocità di reazione. Se un solido di 1 cm3 viene diviso a metà, si vengono a creare due nuove superfici, per cui cresce la superficie di contatto. Continuando la divisione, la superficie di contatto diventa sempre maggiore. La limatura di ferro reagisce con acido cloridrico più velocemente di una lamina di ferro. Ciò è evidenziato da un maggior sviluppo di idrogeno. 20

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione e. Catalizzatore di reazione Un catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione senza per questo essere consumato durante il processo. L’azione di un catalizzatore è quella di abbassare l’energia di attivazione di una reazione, rispetto alla stessa reazione non catalizzata. Diagramma di energia per una reazione in assenza o in presenza di un catalizzatore. Percorso della reazione 21

Fattori che influenzano la velocità di reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 Fattori che influenzano la velocità di reazione Enzimi Negli organismi viventi la maggior parte delle reazioni chimiche viene catalizzata da enzimi, proteine caratterizzate da elevata specificità nella loro azione catalitica. Radiazioni Alcune radiazioni, come quella solare o quella emessa da un filamento incandescente, presentano proprietà catalitiche, ad esempio nella fotosintesi clorofilliana. 22