Principi Fondamentali delle Reazioni Chimiche: Energia, Entalpia e Cinetica

Reazioni Chimiche ed Energia

I composti o le sostanze chimiche possono rilasciare energia immagazzinata in diversi modi:

• 1. Energia termica: Porta a cambiamenti di temperatura.
• 2. Energia meccanica: Origina il movimento di oggetti.
• 3. Energia elettrica: Da una reazione chimica si ottiene energia elettrica, come quella che si verifica nelle batterie.
• 4. Energia luminosa: Luce.
• 5. Altri: Es. onde sonore.

Origine dello Scambio di Energia nelle Reazioni Chimiche

In qualsiasi reazione chimica si verifica un'interazione tra le specie reagenti che porta a una rottura e formazione di legami. Ricordiamo:

• Rottura di legami: Questo comporta la prestazione di lavoro e quindi il consumo di energia.
• Formazione di legami: Si tratta di passare a uno stato più stabile e quindi più energia viene rilasciata.

Il saldo complessivo tra la quantità di legami rotti e legami formati ci informa se il processo comporta assorbimento o rilascio di energia, come segue:

• Se i legami nuovi che si formano sono più forti dei legami che si rompono, l'energia viene liberata.
• Se i legami nuovi sono più deboli dei legami che si rompono, la reazione assorbe energia.

Entalpia di Reazione e Diagramma Entalpico

Il calore di reazione è l'energia scambiata con l'ambiente sotto forma di calore durante una reazione chimica. Poiché la maggior parte delle reazioni avvengono in contenitori aperti, quindi a pressione atmosferica costante, si preferisce parlare di entalpia di reazione.

L'entalpia (ΔH) è l'energia scambiata con l'ambiente sotto forma di calore in un processo che avviene a pressione costante.

A seconda che assorbano o emettano calore, si parlerà di:

• Reazioni esotermiche: Emettono calore verso l'ambiente; il contenuto energetico dei reagenti è maggiore di quello dei prodotti. (ΔH < 0)
• Reazioni endotermiche: Assorbono calore dall'ambiente; il contenuto energetico dei prodotti è superiore a quello dei reagenti. (ΔH > 0)

Equazioni Termochimiche

Un'equazione termochimica fornisce le seguenti informazioni:

• Le formule dei reagenti e dei prodotti.
• Lo stato fisico delle sostanze in condizioni standard (P = 1 atm e T = 25 ºC).
• Il calore di reazione sotto forma di entalpia.

Esempio: C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g) ΔH = -393,5 kJ/mol.

Nell'utilizzo delle equazioni termochimiche si seguono due regole fondamentali:

1. La grandezza dell'entalpia è direttamente proporzionale alla quantità di reagente o di prodotto e può essere usata come fattore di conversione per calcolare il calore assorbito o rilasciato per qualsiasi quantità di sostanza.
2. Il valore dell'entalpia in una reazione è uguale e contrario a quello della reazione inversa.

La Legge di Hess

Principio

L'entalpia di una reazione dipende solo dagli stati iniziali e finali del sistema ed è indipendente dal percorso o dalle reazioni intermedie che si verificano.

Utilità

Permette di calcolare il calore di reazione se questo può essere ottenuto dalla somma algebrica di reazioni di cui il calore è noto.

La Velocità di Reazione

La velocità di reazione è una grandezza che indica o misura la rapidità con cui i reagenti si trasformano in prodotti.

La velocità di reazione è la quantità di reagente consumato o la quantità di prodotto formato per unità di volume e di tempo.

Teoria delle Collisioni ed Energia di Attivazione

Questa teoria propone che, affinché si verifichi una reazione chimica, le molecole reagenti debbano scontrarsi tra loro. Più frequenti sono questi urti, maggiore è la velocità della reazione. Non tutti gli urti generano prodotti, ma solo quelli che hanno energia sufficiente per rompere i legami.

Energia di attivazione: È l'energia minima necessaria affinché le sostanze reagenti possano trasformarsi. Si tratta di una barriera energetica da superare per trasformare i reagenti in prodotti.

Al culmine di questa barriera energetica si forma il complesso attivato, uno stato di transizione in cui i legami tra i reagenti iniziano a indebolirsi e i legami tra i prodotti iniziano a formarsi (durata tipica: 10^-13 s).

I reagenti non solo devono collidere con energia sufficiente, ma devono farlo anche con l'orientamento adeguato. Un urto sarà efficace solo quando avrà il giusto orientamento e sufficiente energia.

Fattori che Influenzano la Velocità di Reazione

• Temperatura: Aumentando la temperatura, aumenta l'energia cinetica delle particelle, che si muovono più velocemente e quindi danno un maggior numero di urti. Questo aumenta la probabilità di collisioni efficaci. La velocità di reazione aumenta con la temperatura.
• Concentrazione dei reagenti: In generale, l'aumento della concentrazione di un reagente implica un aumento del numero di particelle che possono collidere. Se c'è un maggior numero di particelle, aumenta anche il numero di collisioni e quindi il numero di collisioni efficaci. La velocità di reazione aumenta con la concentrazione dei reagenti.
• Area di contatto (Superficie): Questo è un fattore da tenere in considerazione nelle reazioni eterogenee (reagenti in stati fisici differenti). Se i reagenti sono finemente suddivisi, aumenta la superficie di contatto, facilitando gli urti e le interazioni tra i reagenti. Un maggior numero di collisioni si traduce in un aumento della velocità di reazione. Una maggiore superficie di contatto implica un aumento della velocità di reazione nei processi eterogenei.
• Catalizzatori: Sono specie chimiche in grado di modificare la velocità di una reazione, sia aumentandola (catalisi positiva) sia diminuendola (catalisi negativa).

Come funziona il catalizzatore?

Il catalizzatore agisce modificando l'energia di attivazione: aumentandola (per rallentare la reazione) o diminuendola (per accelerarla). In questo modo, assicura che un maggior numero di particelle raggiunga, o meno, l'energia sufficiente per la reazione.

Le sostanze utilizzate come catalizzatori devono soddisfare alcune caratteristiche:

• Funzionano in piccole quantità.
• Vengono recuperati inalterati al termine del processo.
• Non alterano l'equilibrio delle reazioni, ma solo la velocità con cui si raggiunge.
• Agiscono modificando l'energia di attivazione.