Intervista allinsegnante Sara Aspesi Condotta da Sara Citterio.
Elettrochimica - elettrolisi - Store...
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Cinetica Chimica ndashMeccanismi di Reazione (cap 14)
Prof Attilio Citterio
Dipartimento CMIC ldquoGiulio Nattardquo
httpiscamapchempolimiitcitterioiteducationgeneral-chemistry-lessons
Scuola di Ingegneria Industriale e dellrsquoInformazione
Insegnamento di Chimica Generale
083424 - CCS CHI e MAT
Attilio Citterio
velocitagrave A Bn m
k
Ma la maggior parte delle reazioni hanno cinetiche complesse
percheacute si svolgono attraverso numerose strade parallele o
consecutive costituite da tante reazioni elementari
Come detto per le Reazioni Elementari (e solo per queste)
la stechiometria fornisce la legge cinetica
n A + m B prodotti
Meccanismo di Reazione
(Sequenza di Reazioni Elementari)2
Attilio Citterio
Reazioni Parallele
B
A C
D
k1
k2
k3
Resa Frazione in moli di un reagente convertito in un prodotto
processi monomolecolari
Espressioni delle velocitagrave
1 2 3
[A][A]
dk k k
dt
1
[B][A]
dk
dt
2
[C][A]
dk
dt
3
[D][A]
dk
dt
Selettivitagrave
Selettivitagrave Proporzione di un reagente che egrave convertita in quel prodotto (di norma in )
1
0 1 2 3
100B
B
A A
C kS
C C k k k
La selettivitagrave egrave costante a qualunque
conversione del reagente
Tempo
Co
ncen
trazio
ne
CA
CB
CC
CD
3
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
A B Ck1 k2
k2 raquo k1
Intermedio labile (B)
CA
CB
CC
Tempo
k2 k1
Tempo
Co
nce
ntr
azio
ne
CA
CB
CC
Intermedio (B)
4
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
Il caso piugrave semplice di reazioni
consecutive del 1deg ordine si puograve
risolvere analiticamente
Velocitagrave di reazione complessive
A B Ck1 k2
1(1) AA
dCk C
dt 1 2(2) B
A B
dCk C k C
dt 2(3) C
B
dCk C
dt
bull Sostituzione nellrsquoEq 2
bull Integrazione dellrsquoEq 1 0 1(4) expA AC C k t
1 0 1 2(5) expBA B
dCk C k t k C
dt
bull Soluzione nellrsquoEq 5
0 11 2
2 1
(6) exp - - exp --
AB
C kC k t k t
k k
bull Determinare CC per diff0(7) C A A BC C C C
5
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
velocitagrave A Bn m
k
Ma la maggior parte delle reazioni hanno cinetiche complesse
percheacute si svolgono attraverso numerose strade parallele o
consecutive costituite da tante reazioni elementari
Come detto per le Reazioni Elementari (e solo per queste)
la stechiometria fornisce la legge cinetica
n A + m B prodotti
Meccanismo di Reazione
(Sequenza di Reazioni Elementari)2
Attilio Citterio
Reazioni Parallele
B
A C
D
k1
k2
k3
Resa Frazione in moli di un reagente convertito in un prodotto
processi monomolecolari
Espressioni delle velocitagrave
1 2 3
[A][A]
dk k k
dt
1
[B][A]
dk
dt
2
[C][A]
dk
dt
3
[D][A]
dk
dt
Selettivitagrave
Selettivitagrave Proporzione di un reagente che egrave convertita in quel prodotto (di norma in )
1
0 1 2 3
100B
B
A A
C kS
C C k k k
La selettivitagrave egrave costante a qualunque
conversione del reagente
Tempo
Co
ncen
trazio
ne
CA
CB
CC
CD
3
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
A B Ck1 k2
k2 raquo k1
Intermedio labile (B)
CA
CB
CC
Tempo
k2 k1
Tempo
Co
nce
ntr
azio
ne
CA
CB
CC
Intermedio (B)
4
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
Il caso piugrave semplice di reazioni
consecutive del 1deg ordine si puograve
risolvere analiticamente
Velocitagrave di reazione complessive
A B Ck1 k2
1(1) AA
dCk C
dt 1 2(2) B
A B
dCk C k C
dt 2(3) C
B
dCk C
dt
bull Sostituzione nellrsquoEq 2
bull Integrazione dellrsquoEq 1 0 1(4) expA AC C k t
1 0 1 2(5) expBA B
dCk C k t k C
dt
bull Soluzione nellrsquoEq 5
0 11 2
2 1
(6) exp - - exp --
AB
C kC k t k t
k k
bull Determinare CC per diff0(7) C A A BC C C C
5
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Reazioni Parallele
B
A C
D
k1
k2
k3
Resa Frazione in moli di un reagente convertito in un prodotto
processi monomolecolari
Espressioni delle velocitagrave
1 2 3
[A][A]
dk k k
dt
1
[B][A]
dk
dt
2
[C][A]
dk
dt
3
[D][A]
dk
dt
Selettivitagrave
Selettivitagrave Proporzione di un reagente che egrave convertita in quel prodotto (di norma in )
1
0 1 2 3
100B
B
A A
C kS
C C k k k
La selettivitagrave egrave costante a qualunque
conversione del reagente
Tempo
Co
ncen
trazio
ne
CA
CB
CC
CD
3
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
A B Ck1 k2
k2 raquo k1
Intermedio labile (B)
CA
CB
CC
Tempo
k2 k1
Tempo
Co
nce
ntr
azio
ne
CA
CB
CC
Intermedio (B)
4
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
Il caso piugrave semplice di reazioni
consecutive del 1deg ordine si puograve
risolvere analiticamente
Velocitagrave di reazione complessive
A B Ck1 k2
1(1) AA
dCk C
dt 1 2(2) B
A B
dCk C k C
dt 2(3) C
B
dCk C
dt
bull Sostituzione nellrsquoEq 2
bull Integrazione dellrsquoEq 1 0 1(4) expA AC C k t
1 0 1 2(5) expBA B
dCk C k t k C
dt
bull Soluzione nellrsquoEq 5
0 11 2
2 1
(6) exp - - exp --
AB
C kC k t k t
k k
bull Determinare CC per diff0(7) C A A BC C C C
5
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
A B Ck1 k2
k2 raquo k1
Intermedio labile (B)
CA
CB
CC
Tempo
k2 k1
Tempo
Co
nce
ntr
azio
ne
CA
CB
CC
Intermedio (B)
4
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
Il caso piugrave semplice di reazioni
consecutive del 1deg ordine si puograve
risolvere analiticamente
Velocitagrave di reazione complessive
A B Ck1 k2
1(1) AA
dCk C
dt 1 2(2) B
A B
dCk C k C
dt 2(3) C
B
dCk C
dt
bull Sostituzione nellrsquoEq 2
bull Integrazione dellrsquoEq 1 0 1(4) expA AC C k t
1 0 1 2(5) expBA B
dCk C k t k C
dt
bull Soluzione nellrsquoEq 5
0 11 2
2 1
(6) exp - - exp --
AB
C kC k t k t
k k
bull Determinare CC per diff0(7) C A A BC C C C
5
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Reazioni Consecutive
Il caso piugrave semplice di reazioni
consecutive del 1deg ordine si puograve
risolvere analiticamente
Velocitagrave di reazione complessive
A B Ck1 k2
1(1) AA
dCk C
dt 1 2(2) B
A B
dCk C k C
dt 2(3) C
B
dCk C
dt
bull Sostituzione nellrsquoEq 2
bull Integrazione dellrsquoEq 1 0 1(4) expA AC C k t
1 0 1 2(5) expBA B
dCk C k t k C
dt
bull Soluzione nellrsquoEq 5
0 11 2
2 1
(6) exp - - exp --
AB
C kC k t k t
k k
bull Determinare CC per diff0(7) C A A BC C C C
5
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Assunti Semplificanti
bull Fase determinante la velocitagrave (pre-equilibrio)
bull Approssimazione dello Stato Stazionario
Fasi Determinati la Velocitagrave
bull Fasi lente in un meccanismo di reazione
bull Le fasi antecedenti raggiungono lrsquoequilibrio
bull La(e) fase(i) successive sono veloce(i)irrilevante(i)
CONCETTO CHIAVE intermedi reattivi
6
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio (2 NO + O2 2 NO2) (OR = )
Le collisioni a tre
corpi sono rare
NO + NO a N2O2 (equilibrio veloce)
N2O2 + O2 f 2 NO2 (lento)k2
k1
k-1
La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non puograve perograve essere
variata a piacere Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2 la
reazione inversa (a 2 NO) egrave possibile e si deve prendere in considerazione
Poicheacute la fase lenta determina la velocitagrave complessiva si puograve scrivere
2 2 2 2velocitagrave [N O ] Ok
7
Lordine di reazione sperimentale egrave 1deg in O2 e 2deg in NO Ma
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio (2)
In effetti egrave ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che
avvengono prima della fase determinante la velocitagrave siano in equilibrio
con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocitagrave In
questo caso si ha
2
2 1 2velocitagrave [NO] Ok K
2
2 2 1[N O ] NOK
2 2 1
12
1
[N O ]
NO
kK
k
Questo risultato egrave consistente con lrsquoordine di reazione osservato (3) con
2 1 obsk K k
8
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio Classico - Sintesi HI
H2 + I2 a 2 HI
hn + I2 f 2 I velocitagrave drammaticamente aumentata
Ma
2 2velocitagrave [H ] Iobsk
2H I Iv k
M + I2 a I + I + M veloce
I + H2 a H2I veloce
H2I + I f 2 HI lenta
2
1
2
[I]
[I ]K
2
2
2
[H I]
H IK
9
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio Classico (2)
2velocitagrave [H I] [I]k
2 2 2H I [H I]K
2 2velocitagrave H I IkK
2
2
2 2 1
2
IH I
IkK K
2 1 2 2I HkK K
2
2
2
[H I]
H IK
Da cui si deduce che 1 2obsk kK K
10
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario
Lrsquoapprossimazione dello stato stazionario egrave lrsquoapproccio piugrave
generale che si puograve usare quando non vi sia alcuna fase
determinante la velocitagrave
Nessuna fase egrave determinante la velocitagrave
Si applica a (un) intermedio I
formazione distruzione
[I]0
d tv v
dt
11
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Approssimazione dello Stato Stazionario e
Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato
A + M aA + M
A f prodotti
A0
d t
dt
1 1 2A M A M A 0k k k
1
1 2
A MA
M
k
k k
1
2 2
1 2
A Mvelocitagrave A
M
kk k
k k
12
k1
k-1k2
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio N2O5 2 NO2 + frac12 O2
N2O5 + M a N2O5 + M
N2O5 f 2 NO2 + frac12 O2
Allrsquoinizio della reazione [N2O5] egrave 0 ma la sua concentrazione cresce dopo
breve tempo ad un basso valore Lrsquoapprossimazione dello stato-stazionario
consiste nellrsquoassunto che dopo poco tempo le velocitagrave di produzione e
scomparsa di N2O5 diventano uguali e
k2
2 5
1 2 5 1 2 5 2 2 5
N O N O M N O M N O
dk k k
dt
2 5N O 0
d
dt
13
k1
k-1
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio N2O5
La velocitagrave della reazione complessiva N2O5 2 NO2 + frac12 O2 egrave
2 2 2 1 1 2 5N O M N O Mk k k
1 2 5
2 2
2 1
N O MN O
M
k
k k
2 1 2 2 5
2 2 5
2 1
NO N O M1velocitagrave N O
2 M
d k kk
dt k k
Lrsquoespressione presenta due casi limite
1) Bassa pressione quando [M] egrave abbastanza piccolo k2 gtgt k-1[M] e si puograve
usare lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la prima fase che determina la velocitagrave)
(secondo ordine) 1 2 2 5velocitagrave N O Mk k
1) Alta pressione Quando [M] egrave abbastanza alta k-1[M] gtgt k2 e si puograve usare
lrsquoapprossimazione (cioegrave egrave la seconda fase che determina la velocitagrave)
(primo ordine) 12 2 5
1
velocitagrave N Ok
kk
14
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Dipendenza della Costante di Velocitagrave k da T
Lrsquoesperienza ci dice crsquoegrave una relazione logaritmica tra la costante di
velocitagrave di una reazione e T-1
Pendenza = 1
ln lnk pendenza AT
Arrhenius-1889
Ma si trova che la reazione
CH3bull + CH3
bull rarr non dipende da T
Percheacute CH3bull + CH3
bull rarr egrave differente
15
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Legge di Arrhenius
Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione
pendenza = EaR
exp aEk A
RT
(a) Analogie con lrsquoespressione
microscopica di Boltzmann
per W di un gas perfetto
termostatato
(b) Analogie con Keq
0G
RTK e
1ln lnk pendenza A
T
bull A = fattore preesponenziale
bull Ea = energia di attivazione
bullT = temperatura assoluta K
Un grafico di ln k contro 1T
fornisce una retta
con pendenza - EaR
16
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio di Elaborazione di Dati
Sperimentali Secondo la Legge di Arrhenius
I dati sembrano allinearsi in una linea retta secondo la teoria di Arrhenius
Perciograve seguono la retta di forma
1ln lnaE
k AR T
0
10
15
25
345
[Adapted from Atkins 2827] In a study of the auto-oxidation of hydroxylamine (M N Hughes
H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)) the rate constant kobs
in the
rate equation -d[NH2OH]dt=k
obs[NH
2OH][O
2] was found to have the fol lowing termperature
dependence
M-1 s-1
k
0237104
0680104
102104
264104
590104
Per lrsquoautossidazione di NH2OH la costante kobs
nella equazione cinetica
ha la seguente dipendenza dalla temperatura
degC
(e) Now graph the data and the fit on the same graph T 270 K 271 K 330 K
0003 00032 00034 00036 0003812
10
8
6
4
ln ki
lnAEa
R T
1
i 27315 K
1
T
Ea = - 6493 kJ
lnA = 1795
M N Hughes H G Nicklin and K Shrimanker J Chem Soc A 3845 (1971)
2 2 2NH OH NH OH Oobsd dt k
17
0 20 400
5 104
0001
ki
i
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Parametri di Arrhenius in Alcune Reazioni
Reazioni di 1deg ordine A s-1 E kJmiddotmol-1
2 N2O5(g) rarr 4 NO2(g) + O2(g) 494 times 1013 103
ciclopropano(g) rarr propene(g) 158 times 1015 272
ciclobutano(g) rarr 2 C2H4(g) 398 times 1013 261
C2H6(g) rarr 2 CH3bull(g) 251 times 107 384
Reazioni di 2deg ordine (fase gas) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
2CH3bull(g) rarr C2H6(g) 2 times 1010 ~0
NO(g) + Cl2(g) rarr NOCl(g) + Cl(g) 40 times 109 85
O(g) + N2(g) rarr NO(g) + N(g) 1 times 1011 315
Reazioni di 2deg ordine (soluzione) A Lmiddotmol -1middots-1 E kJmiddotmol-1
CO2 + OHminus rarr HCO3minus (acqua) 15 times 1010 38
C2H5ONa + CH3I rarr C2H5OCH3 + NaI 242 times 1011 816
(CH3)3CCl + H2O rarr (CH3)3OH + HCl 71 times 1016 100
18
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Energia di Attivazione
In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la
velocitagrave aumenta (fattore cinetico)
Ea
fattore termodinamico
fattore cinetico
Coordinata di reazione
G
Greaz
prodotti
reagenti
stato di transizione
Ersquoa
19
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Effetto di T sulla Velocitagrave di Reazione
In base alla legge di Arrhenius egrave facile valutare la velocitagrave di una
reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1
0
2
1 2 1
1 1ln
K H
K R T T
Analogie con Keq
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
2 1
2 1
1 1ln ln aE
k kR T T
2
2
1ln lnaE
k AR T
1
1
1ln lnaE
k AR T
-
20
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio
Problema Dati i seguenti valori della costante cinetica di una reazione a
due diverse temperature
calcolare Ea A e k a 80C
2
1
2 1
ln
1 1a
kR
kE
T T
= 128 000 J (per mole di reazione)
2
1 2 1
1 1ln ak E
k R T T
Soluzione calcolo dellrsquoenergia di attivazione
21
T (degC) k (min-1)
610 071times10-5
712 277times10-5
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Esempio
14 -11 2
1 2
726 10 minexp( ) exp( )a a
k kA
E RT E RT
a T = 80 C
-114 -1
-1
128000exp (726 10 min )exp
(353 ) 83145 (35315 )
aE J molk A
R K J K K
= 849 10-5 min-1 a 353 K
Calcolo del fattore pre-esponenziale
Calcolo della costante di velocitagrave
22
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Dipendenza della Velocitagrave dalla Temperatura
v
degKT
(molmiddots-1)
Cinetica di reazionetipica (legge Arrhenius)
La velocitagrave aumentadi un fattore 2-3 ogniaumento di 10 degC della temperatura
v
degKTTin
Cinetica di reazioneesplosiva (Tin = temp innesco)
La velocitagrave aumentanormalmente fino a Tin dopo di che siinnalza bruscamente
v
degKT
vmax
Cinetica di reazioneenzimatica (catalitica)
La velocitagrave aumenta fino a raggiungereun valore massimoquindi cala
23
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
bull Stato di transizione una struttura intermedia tra i
reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico)
bull La molecolaritagrave di una reazione egrave il numero di molecole
che sono coinvolte nello stato di transizione (non
coincide con lrsquoordine di reazione)
bull La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo
energetico egrave negativa una struttura instabile
Analogie con Keq
0G
RTK e
24
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Stato di Transizione
Gtr
Gtr
Coordinata di reazione
G
Greaz
Miscela
Drsquoequilibrio
reagenti
stato di transizione
Si noti che la reazione inversa ha anchrsquoessa unrsquoenergia di attivazione
in questo caso superiore a quella della reazione diretta
25
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione
-73
-150
+05
complexe
TS1
intermeacutediaire agostique
ag =97deg
Rag =238Aring
ag =73deg
Rag =207Aring
ag =58deg
Rag =184Aring
Chemin reacuteactionnel de linsertion lineacuteaire de leacutethylegravene sur DIP-Fe CH 3+
(Calcul DFTBLAP3)
ag =49deg
Rag =186Aring
ag =48deg
Rag =204Aring
Cammino di reazione per lrsquoinserimento dellrsquoetilene sul DIP-Fe-CH3+
(calcoli DFTBLAP3)
Complesso
Intermedio -agostico
26
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in
equilibrio chimico con i reagenti
A + B C + Dk
A + B AB C + DK k
[ ]
[ ][ ]
ABK
A B
complesso attivato
(Per attorno alla velocitagrave iniziale 0)
[ ] [ ][ ]AB K A B
27
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione una reazione di
primo ordine con un k che si suppone lo stesso per tutte le reazioni
[ ] [ ][ ] [ ][ ]
d C d Dk AB k K A B
dt dt Bk T
kh
[ ][ ][ ] [ ][ ]
d Ck A B k K A B
dt
La velocitagrave di reazione
k = k K
A + B AB C + DK k
28
h = costante di Plank
kB = costante di Bolzman
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria dello Stato di Transizione
K puograve esprimersi mediante la relazione termodinamica
expG
KRT
exp expBk T S H
k k Kh R RT
Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello
stato di transizione
G H T S
29
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Superfici di Energia Potenziale
bull Reazione di scambio di atomi drsquoidrogeno
HA + HBHC rarr HAHB + HC
bull Gli atomi sono costretti a stare su una
linea retta (collineari) HA HB HC
bull La via C sale lungo la valle e supera il
dosso (sella o valico) tra 2 regioni
(montagne) di energia superiore e
scende lungo lrsquoaltra valle
bull Le vie A e B seguono cammini molto piugrave
difficili attraverso regioni di energia piugrave
alta
bull Si puograve cosigrave determinare quali stati
energetici (traslazionali e vibrazionali)
portano al piugrave rapido cammino di
reazione
Mol
HBHC
Mol
HAHB
Grafico 3-D dellrsquoenergia di tutti le possibili
disposizioni degli atomi in un complesso
attivato Definisce la via piugrave facile (il valico tra
regioni di alta energia) e perciograve la posizione
esatta dello stato di transizione
30
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Confronto tra TET e Arrhenius
Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione
A + B C + D
expBk T SA
h R
aH E
31
exp aEk A
RT
Arrhenius
exp expBk T S H
k k Kh R RT
TET
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Significato del Fattore A
La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore
pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius
1ln lnaE
k AR T
TET
exp expBk T S Hk k K
h R RT
Quando S lt 0 lo stato di transizione egrave piugrave
ordinato dei reagenti (una reazione bi-molecolare in fase gas)
Bk TA
h
32
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni
Descrizione microscopica di A + A prodotti
u da M-B
V densitagrave (~ uguale) = Ndeg di collisioni
Area velocitagrave = volumetempo
d
d
d
perso
coinvolto
coinvolto coinvolto
perso
t = u l sec
V = l2 u
Una molecola in media (in
rosso) spazza un cilindro di
volume l2 in un secondo
Collideragrave con qualsiasi
molecola il cui centro sta
allrsquointerno del cilindro Da
ciograve si puograve calcolare la
velocitagrave delle sue collisioni
con le altre molecole
33
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (2)
Le molecole si assumono approssima-
tivamente sferiche con diametro d
dellrsquoordine di 10-10 m Si suppone che
si muovano in un gas di molecole
stazionarie delle stesse dimensioni
Queste spazzano un cilindro di area
d2 e collidono con tutte quelle
allrsquointerno al cilindro In un secondo
la lunghezza di un tale cilindro
u t = u 1s con u velocitagrave media
In 1 secondo le molecole coprono un
volume di V = d2u Se NV egrave il
numero di molecole per unitagrave di
volume (dgas) il numero di collisioni al
secondo (Z1) egrave circa
Velocitagrave media
Frequenza di collisione = collisionitempo Z1
Particelle nel
volume spazzatoVolume spazzatotempo
Inserendo il risultato
dalla teoria cinetica
si ha8RT
uM
u
2
1
N RTZ d
V M
2
1 2N
Z d uV
2
1
2
2
4
d u densitagrave Z
RTd
M
34
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (3)
d diametro molecolare
u velocitagrave media
M peso molecolare
NV densitagrave di molecole nel gas
velocitagrave totale di
collisioni volume
velocitagrave di collisioni per unitagrave di volume
Numero totale di collisionitempovolume =
2 2
1 2 4N RT
Z d u dV M
11
2
NZ
V
2
22AA
RT NZ d
M V
1
1
1 1
2 2
NZ
VZ
214
2AA
RTd Z
M
35
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Teoria delle Collisioni (4)
Una collisione elimina due molecole AA + A prodotti
[ ] = densitagrave molare = N0
Ogni collisione produce una reazione
12 AA
dNZ
V dt
0
A 2 AAd Z
dt N
2 2 0
2
0 0
2 22
0
A1velocitagrave 2
2
A 2 A
AAd NZ RT
ddt N N M
RTd N k
M
2
02RT
k d NM
36
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Collisioni e Fattore Sterico
NO2Cl + Cl f Cl2 + NO2
1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 K
numero di collisionisec = 107
tempo di reazione = (1 mol)(107 molmiddots-1)= 10-7 s se tutte le collisioni sono attive
Collisione efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
collisione non efficace
O O
Cl
Cl
O O
Cl
Cl
ONO
Cl
Cl
NN
N
N
N
37
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Origine dellrsquoEnergia di Attivazione
Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione
Le specie che collidono devono avere
sufficiente energia per reagire
La media non egrave tutto
Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione
38
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Distribuzione di Maxwell-Boltzmann
Effetto della Temperatura sulla k
0 1000 20000
0002
0004
f(u)
u
Distribuzione Energia cinetica
T1
T2
T3 T3 gt T1
ltugt = velocitagrave media
Frazione di molecole con energia
gt Eatt diminuisce come
exp( )attE RT
0 1000 20000
0002
0004
u
E gt Eatt
Distribuzione Energia di collisione
3 2
2 2
0
( ) 4 exp( 2 )2
mf u u mu kT
kT
Distribuzione MB
f(u)DISTRIBUZTIONE DI
MAXWELL-BOLTZMANN
DELLrsquoENERGiA MOLECOLARE
39
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Funzione Densitagrave di Probabilitagrave
(Distribuzione)
f(u)du egrave la probabilitagrave di avere la velocitagrave u tra u e u+du
f (u) 0
gduufug )()(
1)(
duuf Normalizzazione
u u+du
f(u)
40
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Entropia di Attivazione
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + B+(aq) AB
(aq) prodotti
S gt 0 delle molecole di acqua sono liberate a seguito della
formazione di AB (qui una struttura non carica)
Per una reazione del tipo
Aˉ(aq) + Bˉ (aq) (AB)2ˉ(aq) prodotti
S lt 0 percheacute lo stato di transizione egrave fortemente carico e
porta ad attrarre piugrave molecole di solvente
41
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Cinetica Chimica e Equilibrio
Il meccanismo di una reazione une serie di stadi elementari (mono- o bi-
molecolari) Allrsquoequilibrio ogni stadio elementare deve essere una
reazione reversibile
Allrsquoequilibrio k2 [A][B] = k-2 [C][D]
2
2
[C] [D]
[A] [B]
eq eq
eq
eq eq
kK
k
k2
A + B C + Dk-2
42
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
44
Attilio Citterio
Principio della Reversibilitagrave Microscopica
Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato
di transizione allrsquoequilibrio la reazione opposta passeragrave
dallo stesso stato di transizione della reazione originale
A B
C
k1
k-1
k3k-3
k2 k-2 1 2 3
1 2 3
k k kK
k k k
43
Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
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Attilio Citterio
Mescolamento in Reazioni Multifase
Controllo del Trasferimento di Massa
bull Quando le reazioni coinvolgono due fasi separate (bolle di gas in un liquido o 2 fasi
liquide immiscibili) si devono verificare due processi contatto dei reagenti e reazione
bull Il termine trasferimento di massa si usa per descrivere tutti i processi di diffusione e
mescolamento che portano al contatto dei reagenti
bull Si consideri la reazione tra 2 fasi liquide A e B (per es acqua e un lungo idrocarburo)
A egrave insolubile in B ma B egrave debolmente solubile in A (CBA)
Percheacute la reazione avvenga A deve diffondere lungo la regione interfase o film
barriera In questa regione ci saragrave un gradiente di concentrazione da B puro (CB =1)
alla soluzione (CBA)
bull Tre regimi di controllo
bull Controllo cinetico Lenta reazione B rimane a livello di saturazione in A v = krCB
A indipendente dalla diffusione Lrsquoagitazione non ha effetto
bull Controllo del trasferimento di massa Reazione moderata CB lt CB
A Velocitagrave in parte dipendente dalla diffusione e aumenta con lrsquoagitazione fino alla velocitagrave massima = krCB
A
bull Controllo del trasferimento di massa Diffusione FilmReazione veloce Avviene tutta nellrsquointerfase La velocitagrave cresce indefinitamente allrsquoaumentare dellrsquoagitazione
A
B
Film
barriera
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