Fondamenti di Stechiometria e Cinetica Chimica: Concetti Chiave e Applicazioni

Fondamenti di Stechiometria e Cinetica Chimica

La stechiometria è il campo della chimica che studia le relazioni fra le quantità coinvolte in una reazione chimica. Le leggi che la disciplinano sono le seguenti:

• Legge delle proporzioni definite: quando si combinano due o più elementi di un dato composto, lo fanno sempre con un rapporto di massa costante.
• Legge della composizione costante: tutti i campioni di un determinato composto chimico allo stato puro contengono sempre gli stessi elementi nelle stesse proporzioni.
• Legge di conservazione della massa: La materia non è creata o distrutta, solo trasformata.

Reagente Limitante e Rendimento di Reazione

La quantità di prodotto ottenuto in una reazione chimica è determinata da:

• Reagente limitante: È il reagente che, presente in quantità insufficiente, limita la quantità di prodotto ottenibile.
• Rendimento di reazione: La quantità effettiva di prodotto realizzata in una reazione chimica.

Soluzioni: Miscele Omogenee

Una soluzione è una miscela omogenea di un soluto in un solvente.

• Solvente: La sostanza presente in maggiore quantità.
• Soluto: La sostanza disciolta nel solvente.

Tipi di Soluzioni

• Diluite: Contengono una piccola quantità di soluto rispetto al solvente.
• Sature: Presentano un equilibrio tra soluto disciolto e soluto non disciolto.
• Sovrasature: Contengono una quantità di soluto superiore a quella cheNormally può essere disciolta a quella temperatura.

Solubilità

La solubilità è la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una data quantità di solvente a una data temperatura.

Fattori che Influenzano la Solubilità

• Superficie di contatto: L'interazione solvente-soluto aumenta quando c'è maggiore superficie di contatto, accelerando la dissoluzione.
• Agitazione: L'agitazione favorisce la dissoluzione separando gli strati che si formano attorno alle particelle di soluto.
• Temperatura: Un aumento della temperatura generalmente favorisce la solubilità dei solidi e dei liquidi, ma può diminuire quella dei gas.
• Pressione: Influenza significativamente la solubilità dei gas; la solubilità è direttamente proporzionale alla pressione.

Concentrazione delle Soluzioni

La concentrazione esprime la quantità di soluto presente in una soluzione.

Unità di Misura

• Unità fisiche:
  • % P/P (percentuale peso su peso)
  • % P/V (percentuale peso su volume)
  • % V/V (percentuale volume su volume)
• Unità chimiche:
  • Molarità (M)
  • Molalità (m)
  • Normalità (N)
  • Frazione molare (χ)

Proprietà Colligative delle Soluzioni

Le proprietà colligative dipendono unicamente dal numero di particelle di soluto presenti in una soluzione, e non dalla loro natura chimica.

• Pressione di vapore: La riduzione della pressione di vapore del solvente è proporzionale alla frazione molare del soluto (Legge di Raoult).
• Punto di ebollizione: La temperatura alla quale la pressione di vapore eguaglia la pressione esterna. L'aggiunta di un soluto non volatile aumenta il punto di ebollizione.
• Punto di congelamento: La temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido e del solido sono uguali. L'aggiunta di un soluto abbassa il punto di congelamento.
• Pressione osmotica: La pressione necessaria per impedire il flusso di solvente attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione meno concentrata a una più concentrata.

Cinetica Chimica

La cinetica chimica è la branca della chimica che studia la velocità delle reazioni chimiche e i fattori che la influenzano.

Velocità di Reazione

La velocità di reazione è la variazione della concentrazione dei reagenti o dei prodotti nell'unità di tempo.

Fattori che Influenzano la Velocità di Reazione

• Natura delle reazioni: La velocità dipende dalle caratteristiche intrinseche dei reagenti e dalla loro capacità di interagire.
• Concentrazione dei reagenti: Generalmente, un aumento della concentrazione dei reagenti aumenta la velocità di reazione.
• Temperatura: Un aumento della temperatura aumenta l'energia cinetica delle molecole e, di conseguenza, la velocità di reazione.
• Catalisi: I catalizzatori aumentano la velocità di reazione fornendo un meccanismo di reazione alternativo con una minore energia di attivazione.

Equilibrio Chimico

L'equilibrio chimico si raggiunge quando la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa, e le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti rimangono costanti nel tempo.

Tipi di Reazioni

• Reazioni dirette (irreversibili): Reazioni che procedono in una sola direzione fino al completo esaurimento di uno o più reagenti.
• Reazioni inverse (reversibili): Reazioni in cui i prodotti possono reagire tra loro per riformare i reagenti, portando a uno stato di equilibrio.

Fattori Esterni che Influenzano l'Equilibrio Chimico

• Aggiunta di una specie chimica: L'aggiunta di un reagente o di un prodotto sposta l'equilibrio nella direzione che consuma la specie aggiunta (Principio di Le Chatelier).
• Rimozione di una specie chimica: La rimozione di un reagente o di un prodotto sposta l'equilibrio nella direzione che produce la specie rimossa (Principio di Le Chatelier).
• Variazione della concentrazione: L'influenza delle variazioni di concentrazione è regolata dalla legge di azione di massa.
• Variazione della temperatura: Un aumento della temperatura favorisce la reazione endotermica, mentre una diminuzione favorisce la reazione esotermica.
• Variazione della pressione: Un aumento della pressione favorisce la reazione che produce meno moli di gas, mentre una diminuzione favorisce la reazione che produce più moli di gas.
• Aggiunta di un catalizzatore: I catalizzatori non influenzano la posizione dell'equilibrio, ma accelerano il raggiungimento dell'equilibrio.