Equilibrio chimico, cinetica e catalisi: concetti chiave e fattori che influenzano le reazioni

Legge di azione di massa

La legge di azione di massa afferma che i valori dell'espressione della costante di equilibrio Kc sono costanti per una particolare reazione a temperatura costante, a condizione che essa sia stata scritta usando le concentrazioni di equilibrio. L'espressione matematica che permette di rappresentare la costante di equilibrio per una reazione a una data temperatura è, per la reazione generica:

aA + bB ⇌ cC + dD

Il che dimostra che il valore della costante di equilibrio della reazione chimica è il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti di reazione, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico, e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti, ciascuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico:

Kc = [C]^c [D]^d / ([A]^a [B]^b)

Concentrazione della specie e pressione parziale

In una reazione chimica svolta in fase gassosa, la concentrazione può essere espressa anche in termini di pressioni parziali. Poiché la pressione di un gas è legata direttamente alla densità molare (mol/L) a temperatura costante attraverso l'equazione di stato dei gas ideali,

P = (n/V) RT,

l'equilibrio può essere scritto in funzione delle pressioni parziali dei reagenti e dei prodotti (costante Kp).

Principio di Le Chatelier

Il principio di Le Chatelier afferma che quando l'equilibrio chimico di un sistema è disturbato da un cambiamento di temperatura, pressione o concentrazione, il sistema reagisce in modo da opporsi, per quanto possibile, alla perturbazione. Questo principio viene utilizzato per valutare l'effetto delle variazioni di concentrazione, pressione, volume o temperatura sugli equilibri chimici.

Velocità di reazione

La velocità di reazione è il rapporto della variazione della quantità di una sostanza (in moli) rispetto al tempo e, se necessario, al volume: indica quanto rapidamente reagenti vengono consumati o prodotti formati.

La velocità è una magnitudine intensiva che dipende dalla temperatura, dalla pressione e dalla concentrazione nel caso di sistemi omogenei.

Fattori che incidono sulla velocità di reazione

• Concentrazione: spesso la velocità di una reazione aumenta con l'aumentare della concentrazione dei reagenti.
• Temperatura: in generale, le reazioni sono più veloci all'aumentare della temperatura.
• Catalizzatori e inibitori: la velocità di una reazione chimica può essere aumentata dalla presenza di un catalizzatore, che accelera la reazione senza essere consumato. Al contrario, un inibitore rallenta la reazione.
• Area superficiale: quando un reagente è solido, la reazione avviene sulla superficie; aumentando l'area superficiale disponibile la velocità aumenta.

Reazione di secondo ordine

Una reazione di secondo ordine è una reazione la cui velocità dipende dalle concentrazioni dei reagenti in modo da dare un ordine totale pari a due: ad esempio può dipendere dal quadrato della concentrazione di un solo reagente, oppure dal prodotto delle concentrazioni di due reagenti diversi, ciascuna elevata alla prima potenza. Il tipo più semplice prevede una sola classe di molecole come reagenti.

La legge di velocità per il caso bimolecolare più comune è ad esempio:

v = k [A][B]

Catalizzatori

I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità di una reazione chimica senza essere consumate definitivamente: possono reagire temporaneamente per formare un intermediario da cui si rigenerano in un successivo passaggio della reazione. La presenza di un catalizzatore fa sì che la miscela reagisca più rapidamente per raggiungere l'equilibrio; la composizione finale di equilibrio, tuttavia, è la stessa che si otterrebbe senza catalizzatore.

I catalizzatori sono classificati

• Catalisi omogenea: reagenti e catalizzatore sono nella stessa fase (generalmente liquida, ma può essere anche gassosa).
• Catalisi eterogenea: reagenti e catalizzatore sono in fasi diverse; ad esempio reagenti in fase gassosa o liquida reagiscono sulla superficie di un catalizzatore solido.
• Catalisi enzimatica: catalizzatori biologici (enzimi), altamente specifici, in grado di aumentare la velocità delle reazioni biochimiche.

Soluzioni sature

Le soluzioni sature sono quelle in cui, a una data temperatura, non è possibile sciogliere altro soluto: aggiungendo più soluto questo rimane come eccesso non disciolto. Il termine può essere usato anche in modo empirico per indicare qualitativamente il punto in cui la quantità di soluto disciolta è al massimo rispetto al solvente a quella temperatura.

Sovrasaturazione

Le soluzioni sovrasature sono miscele in cui è presente una quantità di soluto superiore a quella che normalmente si scioglierebbe a una data temperatura. Spesso si ottengono aumentando la temperatura del solvente, sciogliendo più soluto e poi raffreddando lentamente, in assenza di centri di nucleazione, così da mantenere in soluzione l'eccesso di soluto.

Fattori che influenzano la solubilità

La solubilità determina la quantità di soluto che si dissolve in una certa quantità di solvente a equilibrio e a condizioni specifiche. I principali fattori che la determinano sono:

• Natura del soluto e del solvente (polarità, capacità di formare legami).
• Temperatura (per molte sostanze la solubilità aumenta con la temperatura).
• Pressione (importante soprattutto per i gas disciolti nei liquidi).

Il tasso di dissoluzione del soluto in un solvente dipende inoltre dalle dimensioni delle particelle del soluto, dall'agitazione (mescolamento) e dalla temperatura della miscela.

Processi spontanei e radioattività

Oggi sappiamo che le radiazioni emesse da sostanze radioattive sono di tre tipi principali: particelle alfa (α), particelle beta (β) e raggi gamma (γ).

Radioattività

Con l'eccezione dell'isotopo 1H, tutti i nuclei atomici contengono due tipi di particelle fondamentali: protoni e neutroni. Alcuni nuclei sono instabili ed emettono spontaneamente particelle e/o radiazioni elettromagnetiche: questo fenomeno è noto come radioattività. La radioattività è comune in molti isotopi e, storicamente, si osserva per numerosi elementi con numero atomico elevato (ad esempio, molti elementi con Z > 82 presentano isotopi instabili e radioattività).