Le reazioni chimiche. Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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1 Le reazioni chimiche Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

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4 Introduzione (I) La cinetica chimica è la branca della chimica che si interessa della velocità delle reazioni chimiche, cioè la variazione nel tempo della quantità e qualità delle specie chimiche che vi partecipano e le relazioni che la legano alla composizione e ai diversi fattori chimico-fisici del sistema. Essa si affianca alla termodinamica, di cui costituisce indispensabile completamento e integrazione.

5 Introduzione (II) La velocità delle reazioni chimiche abbraccia un intervallo molto grande che va da quelle che si completano in frazioni di secondo, come nel caso di alcune reazioni esplosive, a quelle che impiegano da migliaia a milioni di anni, come ad esempio la formazione di minerali e rocce della Terra. Velocità delle reazioni chimiche sulla scala del tempo. Assorbimento della luce di un atomo o una molecola (A), reazione esplosiva (B), ossidazione del metallo (C), degradazione delle rocce (D)

6 Introduzione (III) Le reazioni possono essere in generale controllate sulla base della temperatura, concentrazione, pressione e tempo di contatto. Aumentando la temperatura e la pressione è possibile far procedere le reazioni ad una velocità maggiore, ma i reattori in cui tali reazioni devono essere mantenute in sicurezza diventano progressivamente più costosi e difficoltosi da realizzare.

7 Introduzione (IV) Lo studio sia della velocità che dei meccanismi delle reazione è stato al centro dell'attenzione dei chimici per lungo tempo. Oggi è possibile, grazie allo sviluppo di laser di nuova generazione e alle moderne tecniche spettroscopiche, seguire in tempo reale la rottura e la formazione dei legami chimici in una reazione, per identificare i percorsi che i reagenti compiono trasformandosi nei prodotti, cioè per descrivere tutti gli stadi intermedi che portano dai reagenti iniziali ai prodotti finali che avvengono su scala del femtosecondo (10 15 s).

8 La velocità di reazione (I) Il concetto di velocità di reazione è fondamentale nella cinetica chimica. Essa esprime la velocità con cui una reazione chimica decorre, cioè la velocità con cui le specie chimiche si trasformano, e può essere espressa attraverso la velocità di formazione o di consumo di una specie chimica coinvolta..

9 La velocità di reazione (II) La velocità di una reazione chimica è quindi la velocità con cui varia la concentrazione di un certo reagente (o prodotto) nel tempo e può essere espressa come: Quanto all unità di misura, la velocità viene spesso espressa in (moli/l)/s.

10 La legge cinetica (I) La velocità di reazione è funzione della concentrazione delle specie chimiche coinvolte nella trasformazione. La funzione matematica che esprime questa dipendenza viene definita legge cinetica della reazione e, in generale, non può essere dedotta direttamente dalla stechiometria della stessa, per cui deve sempre essere determinata sperimentalmente.

11 La legge cinetica (II) Molte reazioni seguono la legge cinetica in un equazione del tipo: dove k,,,... sono indipendenti dalla concentrazione e dal tempo. L esponente α (o β) e definito come ordine di reazione rispetto alla specie A (o alla specie B), mentre n = α + β +γ +. è definito come ordine di reazione della reazione, ed esprime la somma degli esponenti con cui le concentrazioni delle singole specie chimiche sono presenti nell espressione della velocità di reazione. k prende il nome di costante di velocità della reazione e ha dimensioni che dipendono dall ordine della reazione.

12 L'equazione di Arrhenius La velocità della maggior parte delle reazioni chimiche aumenta all aumentare della temperatura. Nel 1889 S. A. Arrhenius propose l equazione seguente per esprimere la dipendenza della costante di velocità dalla temperatura: Un modello cinetico di come avviene una reazione e che tiene conto dell equazione di Arrhenius è quello descritto dalla teoria delle collisioni.

13 FINE