Fondamenti delle Reazioni Chimiche e Cinetica

Reazione chimica

Una reazione chimica o cambiamento chimico è qualunque processo chimico in cui due o più sostanze (chiamate reagenti) si trasformano, per effetto di un fattore energetico, in altre sostanze chiamate prodotti.

L'equazione chimica è la rappresentazione simbolica di una reazione chimica.

Classificazione delle reazioni chimiche

In base alla modalità di esecuzione

• Sintesi (Sommario): due o più elementi reagiscono per formare un unico composto.
• Decomposizione: reazioni in cui da un unico composto si ottengono due o più sostanze più semplici.
• Sostituzione: quando un elemento reagisce con un composto e sostituisce un elemento del composto stesso per formarne uno nuovo.
• Doppia sostituzione: quando due composti si scambiano i propri componenti per formare due nuovi composti.

In base alla velocità

• Istantanee: quelle reazioni che avvengono in un tempo brevissimo, quasi impercettibile.
• Non istantanee: sono quelle reazioni che richiedono un tempo misurabile per completarsi.

In base all'energia

• Endotermiche: sono reazioni che assorbono energia dall'ambiente esterno.
• Esotermiche: sono reazioni che liberano energia verso l'esterno.

Energia di attivazione

L'energia di attivazione ( ) in chimica e biologia è l'energia minima necessaria a un sistema prima di poter avviare un processo particolare. L'energia di attivazione è spesso utilizzata per indicare l'energia minima necessaria per produrre una determinata reazione chimica.

Meccanismo di reazione

Il meccanismo di reazione è una serie di fasi o stati intermedi che compongono una reazione chimica complessiva. I meccanismi di reazione sono strettamente legati alla cinetica e alla dinamica chimica.

La velocità di reazione è definita come la quantità di sostanza che reagisce per unità di tempo. Per esempio, l'ossidazione del ferro in condizioni atmosferiche è una reazione lenta, che può richiedere molti anni, mentre la combustione del butano in un incendio è una reazione che avviene in una frazione di secondo.

Fattori che influenzano la velocità di reazione

• Natura della reazione: alcune reazioni sono, per loro stessa natura, più veloci di altre. Il numero di specie reagenti, il loro stato fisico (le particelle nei solidi si muovono molto più lentamente rispetto a quelle nei gas o in soluzione), la complessità della reazione e altri fattori intrinseci possono influenzare notevolmente la velocità.
• Concentrazione: la velocità di reazione aumenta con la concentrazione, come descritto dalla legge cinetica e spiegato dalla teoria delle collisioni. Aumentando la concentrazione dei reagenti, la frequenza delle collisioni aumenta.
• Pressione: il tasso delle reazioni gassose aumenta in modo significativo con la pressione, il che equivale ad aumentare la concentrazione del gas. Per le reazioni in fase condensata, la dipendenza dalla pressione è debole e diventa importante solo a pressioni molto elevate.
• Ordine di reazione: l'ordine di reazione definisce come la concentrazione (o pressione) influisce sulla velocità del processo.
• Temperatura: in generale, condurre una reazione a una temperatura più elevata fornisce più energia al sistema, aumentando la velocità di reazione e provocando un maggior numero di collisioni tra le particelle. Tuttavia, il motivo principale è che un maggior numero di particelle in collisione possiede l'energia di attivazione necessaria affinché la reazione avvenga. L'influenza della temperatura è descritta dall'equazione di Arrhenius. Come regola generale, la velocità di molte reazioni raddoppia per ogni aumento di 10 °C. Ad esempio, il carbone brucia in presenza di ossigeno solo se riscaldato, poiché a temperatura ambiente la velocità di reazione è trascurabile.
• Solvente: molte reazioni avvengono in soluzione e le proprietà del solvente (come la forza ionica) influenzano la velocità di reazione.
• Radiazioni elettromagnetiche e intensità della luce: la radiazione elettromagnetica è una forma di energia che può accelerare una reazione o renderla spontanea. Aumentando l'intensità della luce, le particelle assorbono più energia. Ad esempio, la reazione tra metano e cloro è lenta al buio, ma diventa esplosiva in piena luce.
• Catalizzatore: la presenza di un catalizzatore aumenta la velocità di reazione fornendo un percorso alternativo con una minore energia di attivazione. Ad esempio, il platino catalizza la combustione dell'idrogeno a temperatura ambiente.
• Isotopi: l'effetto isotopico cinetico comporta velocità di reazione diverse per la stessa molecola se presenta isotopi differenti (come idrogeno e deuterio), a causa della differenza di massa.
• Superficie di contatto: nelle reazioni eterogenee, la velocità aumenta all'aumentare della superficie di contatto, poiché più particelle solide sono esposte all'attacco dei reagenti.
• Miscelazione: l'agitazione o miscelazione può avere un forte effetto sulla velocità di reazione, specialmente nei sistemi eterogenei.