Sandro Barbone Luigi Altavilla Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Velocità ed equilibrio delle reazioni chimiche

Velocità ed equilibrio delle reazioni chimiche La velocità delle reazioni chimiche Fattori che influenzano la velocità di reazione Reazioni reversibili ed equilibrio chimico Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La velocità della reazione La velocità di una reazione chimica è data dalla quantità di sostanze reagenti consumate o di prodotti formati in un intervallo di tempo. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La velocità della reazione (2) La velocità della reazione è definita come la variazione di concentrazione Δc (espressa in moli/litro) dei reagenti (o dei prodotti) in un intervallo di tempo Δt. Se le sostanze che reagiscono sono in soluzione, si considera la loro concentrazione. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La velocità della reazione (3) La velocità della reazione non è costante, ma tende a diminuire man mano che i reagenti si consumano. dove A e B sono i reagenti e a e b i loro coefficienti stechiometrici. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

L’equazione cinetica La relazione tra la velocità della reazione e la concentrazione è espressa matematicamente dall’equazione cinetica. [A] e [B] rappresentano le concentrazioni dei reagenti A e B K è la costante cinetica gli esponenti vengono determinati sperimentalmente Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La teoria delle collisioni (o degli urti efficaci) Questa teoria giustifica la cinetica chimica in base ai seguenti principi: la reazione è determinata dall’urto tra le molecole dei reagenti; gli urti devono avere un preciso orientamento e una sufficiente energia. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

L’energia di attivazione È l’energia minima necessaria perché la reazione si possa realizzare. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Fattori che influenzano la velocità di reazione La natura dei reagenti. La concentrazione dei reagenti. La temperatura dei reagenti. La superficie di contatto tra le fasi dei reagenti. La presenza di un catalizzatore. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La natura dei reagenti Le proprietà chimiche e fisiche di ogni sostanza influenzano la velocità della reazione chimica. Sono rapide le reazioni che non comportano rottura di legami (come quelle che avvengono tra ioni). Sono lente, di solito, le reazioni che implicano rottura dei legami chimici. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La concentrazione dei reagenti Se aumentano le concentrazioni di un reagente aumenta proporzionalmente il numero di urti tra le molecole. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La temperatura dei reagenti Un aumento della temperatura dei reagenti si traduce in un maggior numero di molecole in grado di reagire, perché dotate dell’energia sufficiente a superare la barriera energetica dell’energia di attivazione. Se aumenta la temperatura, aumenterà il grado di agitazione delle molecole e con esso gli urti. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La temperatura dei reagenti (2) Un aumento di temperatura: ostacola le reazioni esotermiche (che avvengono con produzione di calore) favorisce le reazioni endotermiche (che avvengono con assorbimento di calore) Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La superficie di contatto tra le fasi dei reagenti Se i reagenti sono in stati fisici differenti (fasi eterogenee), la velocità è tanto maggiore quanto maggiore è la suddivisione del reagente solido, perché aumenta la superficie di contatto. Tutti sappiamo che per accendere velocemente un fuoco è necessario procurarsi legnetti di piccole dimensioni. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Catalizzatori e velocità di reazione I catalizzatori aumentano la velocità della reazione riducendo l’energia di attivazione necessaria, ma non partecipano direttamente alla reazione stessa (non sono cioè dei reagenti).

Catalizzatori e velocità di reazione (2)

Catalizzatori e velocità di reazione (3) La presenza del catalizzatore “orienta” opportunamente le molecole dei reagenti in modo da rendere ogni loro urto efficace: in questo modo occorrerà un’energia di attivazione minore di quella richiesta normalmente e un maggior numero di molecole dei reagenti avrà energia sufficiente, quindi la velocità della reazione aumenterà. Tra i catalizzatori ricordiamo metalli come il platino, il ferro, gli ossidi di molibdeno, il cromo, o non metalli come il cloro.

Presenza di catalizzatori I catalizzatori “orientano” opportunamente le molecole dei reagenti in modo da rendere ogni loro urto efficace, abbassando l’energia di attivazione richiesta normalmente Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Reazioni irreversibili Sono quelle che procedono in un’unica direzione: dai reagenti ai prodotti. La combustione di un pezzo di legno procede fino al suo completo incenerimento. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Reazioni reversibili Sono reazioni nelle quali mentre i reagenti si trasformano nei prodotti questi, non potendosi allontanare, si ritrasformano nei reagenti. La trasformazione dei reagenti nei prodotti non è completa. I due processi, diretto e inverso, dopo un certo tempo raggiungono un equilibrio. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Reazioni ed equilibrio L’equilibrio di una reazione reversibile è un equilibrio dinamico: le molecole dei reagenti continuano a trasformarsi nelle molecole dei prodotti e viceversa. Per mettere in evidenza che la reazione è reversibile si utilizzano le due frecce parallele ma con verso opposto Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Reazioni reversibili Una tipica reazione reversibile è quella di decomposizione del carbonato di calcio in ossido di calcio e anidride carbonica: Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Equilibrio di reazione Una reazione reversibile all’equilibrio mantiene costanti le concentrazioni dei prodotti e dei reagenti: Le due reazioni, diretta e inversa, hanno (all’equilibrio) velocità uguale. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Legge di azione di massa L’uguaglianza tra le velocità Vd e Vi permette di definire una costante, caratteristica per ogni reazione all’equilibrio (e a temperatura costante), chiamata costante di equilibrio Keq, che si ricava dalla seguente formula: Questa espressione è chiamata legge dell’azione di massa. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Legge di azione di massa In una reazione reversibile all’equilibrio, il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni (moli/litro) delle sostanze prodotte e il prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti (ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico) è costante. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La costante di equilibrio è specifica per ogni reazione; si ricava sperimentalmente; varia al variare della temperatura. Il suo valore dà un’indicazione precisa sulla direzione in cui procede la reazione. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

La costante di equilibrio e la temperatura All’aumentare della temperatura, la costante di equilibrio: diminuisce, nelle reazioni esotermiche (viene favorita la reazione inversa e l’equilibrio si sposta verso sinistra, cioè verso la formazione dei reagenti) aumenta, nelle reazioni endotermiche (viene favorita la reazione diretta e l’equilibrio si sposta verso destra, cioè verso la formazione dei prodotti) Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Costante di equilibrio e verso della reazione Se la costante di equilibrio Keq ha: un valore molto elevato, i prodotti prevalgono sui reagenti e la reazione è spostata verso destra; un valore molto piccolo, la concentrazione dei prodotti è molto bassa e la reazione è spostata verso sinistra; un valore intorno a 1, all’equilibrio la concentrazione dei prodotti sarà pressoché uguale a quella dei reagenti (reazione reversibile all’equilibrio). Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Il principio dell’equilibrio mobile o di Le Châtelier L’equilibrio di una reazione è quindi “mobile” ed è regolato dal principio di Le Châtelier (enunciato nel 1884), secondo il quale: Ogni sistema tende a reagire a una variazione impostagli dall’esterno, neutralizzandone gli effetti. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Fattori che influenzano l’equilibrio I fattori che possono influenzare l’equilibrio sono: • variazione della concentrazione di reagenti o prodotti; • variazione della temperatura; • variazione della pressione totale del sistema (in presenza di sostanze allo stato gassoso). Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Variazione (aumento) dei reagenti Se viene aggiunto alla reazione un reagente, la reazione modifi cherà il suo equilibrio, spostandosi verso destra, in modo da aumentare la formazione dei prodotti Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Aumento dei prodotti Se aumentano i prodotti, invece, l’equilibrio si sposta verso sinistra, si riformeranno i reagenti, ripristinando l’equilibrio precedente Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Variazione della temperatura Un aumento di temperatura: favorisce i processi endotermici (come la dissociazione di una molecola gassosa); ostacola quelli esotermici, modificando le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti; modifica anche la costante di equilibrio, che è specifica per ogni reazione ma dipendente anche dalla temperatura. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Variazione della pressione Nel caso in cui nella reazione siano presenti reagenti e prodotti allo stato gassoso, la variazione della pressione totale del sistema incide sull’equilibrio, come conseguenza della legge delle pressioni parziali di Dalton. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Variazione della pressione (2) La costante di equilibrio non varia al variare della pressione (è influenzata solo dalla temperatura), ma, poiché la pressione di un gas (a volume costante) dipende sostanzialmente dal suo numero di moli, il sistema all’equilibrio reagisce alla variazione della pressione totale, spostando l’equilibrio in funzione della differente variazione di moli gassose che si ottiene. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Aumento del numero di moli Se nella formazione dei prodotti si ottiene un numero maggiore di moli di gas (rispetto ai reagenti), all’aumento della pressione totale corrisponderà uno spostamento dell’equilibrio verso i reagenti. Es. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile

Diminuzione del numero di moli Se nella formazione dei prodotti si ottiene un numero minore di moli di gas (rispetto ai reagenti), all’aumento della pressione totale corrisponderà uno spostamento dell’equilibrio verso i prodotti. Es. Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile