LICEO SCIENTIFICO STATALE “LEONARDO da VINCI” di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi LE REAZIONI CHIMICHE Le reazioni chimiche

Trasformazioni fisiche Tutti i fenomeni naturali sono raggruppabili in una di queste due categorie: Trasformazioni fisiche Le sostanze non cambiano natura e non variano le proprietà caratteristiche Esempi: passaggi di stato; un sasso che cade; un oggetto che si rompe; un corpo scaldato che si dilata Trasformazioni chimiche Le sostanze cambiano natura e variano le proprietà caratteristiche Esempi: elettrolisi dell’acqua; tutte le combustioni; il ferro che si arrugginisce; l’acido che corrode; un petardo che esplode Le reazioni chimiche

2 H2+O2→ 2 H2O O H O H + → O O H H H2O H2O2 acqua acqua ossigenata Durante una reazione chimica la massa dei prodotti resta uguale alla massa dei reagenti (Legge di Lavoisier) 2 H2+O2→ 2 H2O A livello atomico durante una reazione i legami presenti all'interno dei reagenti si rompono e se ne formano di nuovi nei prodotti di reazione. O H O H + → Gli stessi atomi legati in modo diverso, o con differenti proporzioni reciproche, originano sostanze diverse per natura e proprietà O H acqua H2O O H acqua ossigenata H2O2 Le reazioni chimiche

PERCHE’ AVVENGONO LE REAZIONI CHIMICHE La regola dell'ottetto spiega perché gli atomi isolati reagiscono tra loro, ma non spiega perché lo facciano gli elementi o i composti (che l’ottetto hanno già raggiunto). Alta energia, bassa stabilità Bassa energia, alta stabilità Comunemente, i sistemi naturali evolvono spontaneamente verso stati di minore energia e maggiore stabilità stabilità = assenza di cambiamento La stabilità chimica delle sostanze è direttamente proporzionale all’energia del legame che tiene uniti gli atomi che le compongono. N 941 kJ/mol H 463 kJ/mol Le reazioni chimiche

2H2+O2→2H2O + energia C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O + e Reazioni esoergoniche (spontanee) REAGENTI La reazione produce energia Legami + deboli, stabilità minore 2H2+O2→2H2O + energia PRODOTTI Legami + forti, stabilità maggiore C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O + e Reazioni endoergoniche (non spontanee) PRODOTTI La reazione assorbe energia Legami + deboli, stabilità minore 2H2O + energia → 2H2+O2 REAGENTI Legami + forti, stabilità maggiore 6CO2+6H2O + e→C6H12O6+6O2 Le reazioni chimiche

Reazione endoergonica Reazione endoergonica Reazione esoergonica Pila carica → pila scarica + energia Reazione endoergonica Pila scarica + energia → pila carica Reazione esoergonica ATP → ADP + P + energia Reazione endoergonica ADP + P + energia → ATP A P ADP A P ATP Le reazioni chimiche

Processo endoergonico, assorbimento di energia solare Ciclo del carbonio Processo endoergonico, assorbimento di energia solare FOTOSINTESI CO2 + H2O Glucosio + O2 RESPIRAZIONE CELLULARE Processo esoergonico, produzione di energia chimica Tutta l’energia utilizzata dai viventi deriva dal Sole Le reazioni chimiche

In natura esistono tuttavia anche trasformazioni endoergoniche spontanee Ad esempio: evaporazione dell’acqua e fusione del ghiaccio, che assorbono calore dai corpi a contatto, raffreddandoli Dissoluzione in acqua di alcuni soluti solidi, come ad esempio il nitrato di ammonio (NH4NO3), In questi casi il sistema non evolve verso stati di minor energia, perché l’energia assorbita dall’esterno resta immagazzinata nei prodotti finali della trasformazione. La tendenza che guida tali trasformazioni è quella verso l’aumento del disordine, ovvero dell’entropia I sistemi naturali infatti evolvono spontaneamente sia verso la massima stabilità (minima energia), che verso il massimo disordine (massima entropia). Le reazioni chimiche

Entropia e disordine aumentano Come varia l’entropia Entropia e disordine aumentano Nei passaggi di stato da solido a liquido e da liquido a gas l’entropia aumenta; nella direzione opposta l’entropia diminuisce (il liquido è più disordinato del solido, il gas è più disordinato del liquido) Entropia e disordine diminuiscono Nella dissoluzione di un solido in un liquido l’entropia aumenta (la soluzione è più disordinata dello stato iniziale, formato dal solido e dal liquido separati) Nella dissoluzione di un gas in un liquido l’entropia diminuisce (la soluzione liquida è più ordinato dello stato iniziale formato da liquido e gas separati) Nelle reazioni chimiche in cui sono coinvolti i gas, se il numero delle molecole di gas aumenta durante la reazione, anche l’entropia aumenta; se invece il numero di molecole gassose diminuisce, anche l’entropia diminuisce. CaCO3(s) ⇆CaO(s) + CO2(g) l’entropia aumenta N2(g)+3H2(g) ⇆2NH3(g) l’entropia diminuisce Le reazioni chimiche

Es. C6H12O6 (s) + 6O2 (g) ⇆ 6CO2 (g) + 6H2O (l) + energia Se consideriamo sia il contributo ergonico, che quello entropico, possiamo concludere che: Se una trasformazione conduce sia ad una diminuzione dell’energia (reazione esoergonica), che ad un aumento dell’entropia, essa sarà sempre spontanea a qualunque temperatura Es. C6H12O6 (s) + 6O2 (g) ⇆ 6CO2 (g) + 6H2O (l) + energia Se una trasformazione conduce sia ad un aumento dell’energia (reazione endoergonica), che ad una diminuzione dell’entropia, essa non sarà mai spontanea a qualunque temperatura. Es. 6CO2 (g) + 6H2O (l) + energia ⇆ C6H12O6 (s) + 6O2 (g) Se una trasformazione conduce ad una diminuzione dell’energia (reazione esoergonica), ma anche ad una diminuzione dell’entropia, essa sarà spontanea solo a bassa temperatura. Es. N2(g) + 3H2(g) ⇆2NH3(g) Se una trasformazione conduce sia ad un aumento dell’energia (reazione endoergonica), che ad un aumento dell’entropia, essa sarà spontanea solo ad alta temperatura. Es. CaCO3(s) ⇆CaO(s) + CO2(g) Le reazioni chimiche

La cinetica chimica studia la velocità delle reazioni 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 Le reazioni chimiche

Alcune reazioni si cerca di accelerarle …. altre si cerca di rallentarle …. Le reazioni chimiche

La velocità delle reazioni Non è sufficiente sapere se una data reazione chimica avvenga spontaneamente o meno Vogliamo anche sapere a che velocità si sviluppi La velocità delle reazioni Velocità: grandezza fisica che misura le variazioni di una grandezza fisica, fratto il tempo in cui essa si realizza Nel corso di una reazione chimica i reagenti si trasformano in prodotti: la quantità dei primi quindi diminuisce, mentre quella dei secondi aumenta La velocità di una reazione chimica indica il numero delle moli di reagente consumato, oppure il numero delle moli di prodotto formato, nell'unità di tempo. Le reazioni chimiche

Gli atomi si legano attraverso le loro porzioni più esterne La teoria degli urti Gli atomi si legano attraverso le loro porzioni più esterne Perché si formi un legame tra i reagenti (dunque perché avvenga una reazione) è necessario che i loro atomi si urtino Fattori che influenzano la velocità delle reazioni 1) Concentrazione dei reagenti Nell’autoscontro il numero degli urti aumenta col numero delle auto presenti in pista In autostrada il rischio di incidenti è tanto maggiore quanto più intenso è il traffico Le reazioni chimiche

V=K[C][O2] C + O2⇆CO2 2H2+O2⇆2H2O V=K[H2][H2][O2] V=K[H2] 2[O2] 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 C + O2⇆CO2 V=K[C][O2] V = velocità di reazione K = costante di proporzionalità [C] = concentrazione molare del carbonio [O2] = concentrazione molare dell’ossigeno 2H2+O2⇆2H2O La velocità delle reazioni è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, ognuna elevata al corrispondente coefficiente stechiometrico V=K[H2][H2][O2] V=K[H2] 2[O2] Le reazioni chimiche

2) Geometria delle molecole Nel corso della reazione le concentrazioni dei reagenti diminuiscono La velocità delle reazioni chimiche diminuisce nel tempo. 2) Geometria delle molecole 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 C O H + → CO2 + H2O⇆H2CO3 La velocità delle reazioni chimiche diminuisce all’aumentare delle dimensioni e della complessità dei reagenti Le reazioni chimiche

3) Suddivisione 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. Le reazioni chimiche

In soluzione le reazioni sono più veloci 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 Per questo motivo gli esseri viventi sono costituiti in abbondanza di acqua, che è un ottimo solvente Viceversa, volendo rallentare reazioni che normalmente avvengono in acqua è possibile disidratare le sostanze. Questo principio viene sfruttato nella conservazione degli alimenti in polvere oppure sotto sale Le reazioni chimiche

4) Energia di attivazione C + O2⇆CO2 4) Energia di attivazione Esotermica e spontanea, la reazione avviene solo grazie ad un innesco Inizialmente è necessario fornire energia per rompere i legami all’interno dei reagenti C + O2 C + O + O CO2 Energia di attivazione 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 auto sostiene L’energia di attivazione è un importante fattore di controllo delle reazioni Le reazioni chimiche

Nello stesso senso cresce quindi la frequenza e la violenza degli urti 5) 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 Le reazioni chimiche

Una reazione chimica avviene spontaneamente se: Riassumendo Una reazione chimica avviene spontaneamente se: Si ha un aumento di stabilità e/o di entropia; Le particelle si urtano nel modo giusto e con energia adeguata ; Viene fornita l’energia di attivazione. Per quanto riguarda l’aspetto cinetico possiamo concludere che: La velocità delle reazioni diminuisce nel tempo ed all’aumentare delle dimensioni e della complessità dei reagenti ; La velocità delle reazioni aumenta all’aumentare della temperatura, della concentrazione e della suddivisione dei reagenti ; Le reazioni chimiche

2H2 + O2⇆2HO2 I catalizzatori Per accelerare una reazione non sempre è possibile scaldare i reagenti, suddividerli oppure averli in elevate concentrazioni 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 A H2 O2 H2O 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 Le reazioni chimiche

Ecco un esempio di catalisi Il platino non viene consumato, in quanto di fatto non partecipa alla reazione Ecco un esempio di catalisi 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 Le reazioni chimiche

G. Natta Nobel per la Chimica 1963 Le reazioni chimiche

Oggi mi sento molto reattivo Enzimi: particolare classe di proteine con funzione di catalizzatori biologici Oggi mi sento molto reattivo FINE 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 Le reazioni chimiche