La velocità delle reazioni chimiche CAPITOLO La velocità delle reazioni chimiche 16 Indice La velocità delle reazioni chimiche Espressione della velocità di reazione Teoria delle collisioni Teoria dello stato di transizione (o del complesso attivato) Fattori che influenzano la velocità di reazione Legge della velocità di reazione Cinetica e meccanismo di reazione Mappa concettuale: La velocità delle reazioni chimiche 1

La velocità delle reazioni chimiche 1 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. 2

Espressione della velocità di reazione 2 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Espressione della velocità di reazione “La velocità di una reazione chimica si riferisce alla variazione di concentrazione di una sostanza nell’unità di tempo”. 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. 3

Espressione della velocità di reazione 2 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Espressione della velocità di reazione la concentrazione del reagente A, messa in parentesi   ed espressa in mol/L, diminuisce man mano che cresce il tempo dall’inizio della reazione, mentre la concentrazione del prodotto C aumenta.   A2  A1 A velocità media di reazione = − = − t2  t1 t 4

Teoria delle collisioni 3 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Teoria delle collisioni 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. 5

Teoria delle collisioni 3 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Teoria delle collisioni Per la formazione dei prodotti di una reazione risulta importante l’orientamento molecolare durante la collisione. 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. a b 6

Teoria dello stato di transizione (o del complesso attivato) 4 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Teoria dello stato di transizione (o del complesso attivato) Per stato di transizione s’intende la particolare disposizione che gli atomi assumono in corrispondenza del punto massimo del diagramma di reazione. I reagenti devono superare la barriera di energia dello stato di transizione per dare luogo ai prodotti. 7

Teoria dello stato di transizione (o del complesso attivato) 4 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Teoria dello stato di transizione (o del complesso attivato) La differenza tra l’energia dello stato di transizione e l’energia dei reagenti prende il nome di energia di attivazione (Ea). Solo le molecole dei reagenti, con energia uguale o superiore a Ea, possono superare la barriera di energia dello stato di transizione e dare luogo ai prodotti. Pertanto “più è bassa l’energia di attivazione, maggiore è il numero delle molecole che possono superare la barriera di energia, e quindi più veloce è la reazione”. 8

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. 9

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Fattori che influenzano la velocità di reazione b. Temperatura di reazione La velocità di qualsiasi reazione cresce con l’aumentare della temperatura. 10

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. 11

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. 12

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. Diagramma di energia per una reazione in assenza o in presenza di un catalizzatore. Percorso della reazione 13

Fattori che influenzano la velocità di reazione 5 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 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. 14

Legge della velocità di reazione 6 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Legge della velocità di reazione La legge della velocità di reazione si può così esprimere: “La velocità di una reazione è proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti, elevate ciascuna ad un esponente ricavato sperimentalmente”: v = k Am Bn dove: v  velocità k  costante di velocità A e B  concentrazione dei reagenti m, l’esponente della concentrazione A, è detto ordine di reazione rispetto ad A n, l’esponente della concentrazione B, è detto ordine di reazione rispetto a B La somma degli esponenti corrisponde all’ordine totale della reazione. 15

Legge della velocità di reazione 6 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Legge della velocità di reazione Rappresentazione grafica delle reazioni di ordine zero (a, curva blu), del primo ordine (b, curva verde) e del secondo ordine (c, curva rossa). Determinazione dell’ordine di reazione Si possono avere reazioni di ordine 0, 1, 2 oppure 3, ma sono possibili anche reazioni di ordine frazionario. 16

Cinetica e meccanismo di reazione 7 CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Cinetica e meccanismo di reazione L’insieme dei passaggi attraverso i quali i reagenti si trasformano nei prodotti prende il nome di meccanismo di reazione. In una reazione è lo stadio lento che determina la velocità del processo globale. 17

Mappa concettuale: La velocità delle reazioni chimiche CAPITOLO 16. LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE Mappa concettuale: La velocità delle reazioni chimiche ESPRESSIONE MATEMATICA DELLA VELOCITÀ DI REAZIONE Δ[concentrazione] V = Δ[tempo] LEGGE DELLA VELOCITÀ DI REAZIONE v = k[A]m [B]n VELOCITÀ DI REAZIONE velocità con cui i reagenti si trasformano nei prodotti Fattori che influenzano la velocità di reazione Natura dei reagenti Concentrazione dei reagenti Superficie di contatto dei reagenti solidi TEMPERATURA CATALIZZATORE Teoria delle collisioni Teoria cinetica secondo la quale i reagenti devono collidere per dare luogo ai prodotti Energia di attivazione Teoria dello stato di transizione Teoria secondo la quale i reagenti devono passare attraverso un massimo di energia potenziale (stato di transizione) 18