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Le reazioni chimiche 1 LICEO SCIENTIFICO STATALE “LEONARDO da VINCI” di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi LE REAZIONI CHIMICHE

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Le reazioni chimiche 1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI” di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

LE REAZIONI CHIMICHE

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Le reazioni chimiche 2

Tutti i fenomeni naturali sono raggruppabili in una di queste due categorie:

Trasformazioni fisiche

Trasformazioni chimiche

Le sostanze non cambiano natura e non variano le proprietà caratteristicheEsempi: passaggi di stato; un sasso che cade; un oggetto che si rompe; un corpo scaldato che si dilata

Le sostanze cambiano natura e variano le proprietà caratteristicheEsempi: elettrolisi dell’acqua; tutte le combustioni; il ferro che si arrugginisce; l’acido che corrode; un petardo che esplode

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Le reazioni chimiche 3

Durante una reazione chimica la massa dei prodotti resta uguale alla massa dei reagenti (Legge di Lavoisier)

H2+O2→ H2O2 2A livello atomico durante una reazione i legami presenti all'interno dei reagenti si rompono e se ne formano di nuovi nei prodotti di reazione.

→OOH H H H +O

H HO

H HGli stessi atomi legati in modo diverso, o con differenti proporzioni reciproche, originano sostanze diverse per natura e proprietà

OH

HO

acqua ossigenata

H2O2

OH Hacqua

H2O

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Le reazioni chimiche 4

PERCHE’ AVVENGONO LE REAZIONI CHIMICHE

La regola dell'ottetto spiega perché gli atomi isolati reagiscono tra loro, ma non spiega perché lo facciano gli elementi o i composti (che l’ottetto hanno già raggiunto).

Comunemente, i sistemi naturali evolvono spontaneamente verso stati di minore energia e maggiore stabilità

stabilità = assenza di cambiamento

Alta energia, bassa stabilità

Bassa energia, alta stabilità

La stabilità chimica delle sostanze è direttamente proporzionale all’energia del legame che tiene uniti gli atomi che le compongono.

H H 463 kJ/molN N 941 kJ/mol

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Le reazioni chimiche 5

Reazioni esoergoniche (spontanee)

REAGENTI

Legami + deboli, stabilità minore

PRODOTTI

Legami + forti, stabilità maggiore

La reazione produce energia

Reazioni endoergoniche (non spontanee)

REAGENTI

Legami + deboli, stabilità minore

PRODOTTI

Legami + forti, stabilità maggiore

La reazione assorbe energia

2H2+O2→2H2O + energia

2H2O + energia → 2H2+O2

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O + e

6CO2+6H2O + e→C6H12O6+6O2

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Le reazioni chimiche 6

AP P P

ATP

Reazione endoergonicaPila scarica + energia → pila carica

Reazione esoergonicaPila carica → pila scarica + energia

AP P

ADP

Reazione esoergonicaATP → ADP + P + energia

Reazione endoergonicaADP + P + energia → ATP

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Le reazioni chimiche 7

CO2 + H2O Glucosio + O2

Ciclo del carbonio

FOTOSINTESI

Processo endoergonico, assorbimento di energia solare

RESPIRAZIONE CELLULARE

Processo esoergonico, produzione di energia chimica

Tutta l’energia utilizzata dai viventi deriva dal Sole

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Le reazioni chimiche 8

In natura esistono tuttavia anche trasformazioni endoergoniche spontanee

Ad esempio: evaporazione dell’acqua e fusione del ghiaccio, che assorbono calore dai corpi a contatto, raffreddandoli

Dissoluzione in acqua di alcuni soluti solidi, come ad esempio il nitrato di ammonio (NH4NO3),

In questi casi il sistema non evolve verso stati di minor energia, perché l’energia assorbita dall’esterno resta immagazzinata nei prodotti finali della trasformazione.

La tendenza che guida tali trasformazioni è quella verso l’aumento del disordine, ovvero dell’entropia

I sistemi naturali infatti evolvono spontaneamente sia verso la massima stabilità (minima energia), che verso il massimo disordine (massima entropia).

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Le reazioni chimiche 9

Come varia l’entropia

•Nei passaggi di stato da solido a liquido e da liquido a gas l’entropia aumenta; nella direzione opposta l’entropia diminuisce (il liquido è più disordinato del solido, il gas è più disordinato del liquido)

Entropia e disordine aumentano

Entropia e disordine diminuiscono

•Nella dissoluzione di un solido in un liquido l’entropia aumenta (la soluzione è più disordinata dello stato iniziale, formato dal solido e dal liquido separati)• Nella dissoluzione di un gas in un liquido l’entropia diminuisce (la soluzione liquida è più ordinato dello stato iniziale formato da liquido e gas separati)•Nelle reazioni chimiche in cui sono coinvolti i gas, se il numero delle molecole di gas aumenta durante la reazione, anche l’entropia aumenta; se invece il numero di molecole gassose diminuisce, anche l’entropia diminuisce.

N2(g)+3H2(g) 2NH⇆ 3(g) l’entropia diminuisce

CaCO3(s) CaO(s) + CO⇆ 2(g) l’entropia aumenta

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Le reazioni chimiche 10

Se consideriamo sia il contributo ergonico, che quello entropico, possiamo concludere che:

•Se una trasformazione conduce sia ad una diminuzione dell’energia (reazione esoergonica), che ad un aumento dell’entropia, essa sarà sempre spontanea a qualunque temperatura Es. C6H12O6 (s) + 6O2 (g) ⇆ 6CO2 (g) + 6H2O (l) + energia

•Se una trasformazione conduce sia ad un aumento dell’energia (reazione endoergonica), che ad una diminuzione dell’entropia, essa non sarà mai spontanea a qualunque temperatura.Es. 6CO2 (g) + 6H2O (l) + energia C⇆ 6H12O6 (s) + 6O2 (g)

•Se una trasformazione conduce ad una diminuzione dell’energia (reazione esoergonica), ma anche ad una diminuzione dell’entropia, essa sarà spontanea solo a bassa temperatura. Es. N2(g) + 3H2(g) 2NH⇆ 3(g)

•Se una trasformazione conduce sia ad un aumento dell’energia (reazione endoergonica), che ad un aumento dell’entropia, essa sarà spontanea solo ad alta temperatura. Es. CaCO3(s) CaO(s) + CO⇆ 2(g)

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Le reazioni chimiche 11

CINETICA CHIMICA

La cinetica chimica studia la velocità delle reazioni

La cinetica chimica è molto importante

Molte reazioni, anche se spontanee, avvengono così lentamente per cui, di fatto, è come se non avvenissero.

I combustibili, ad esempio, non bruciano senza innesco

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Alcune reazioni si cerca di accelerarle ….

altre si cerca di rallentarle ….

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Non è sufficiente sapere se una data reazione chimica avvenga spontaneamente o meno

Vogliamo anche sapere a che velocità si sviluppi

La velocità delle reazioni

Velocità: grandezza fisica che misura le variazioni di una grandezza fisica, fratto il tempo in cui essa si realizza

Nel corso di una reazione chimica i reagenti si trasformano in prodotti: la quantità dei primi quindi diminuisce, mentre quella dei secondi aumenta

La velocità di una reazione chimica indica il numero delle moli di reagente consumato, oppure il numero delle moli di prodotto formato, nell'unità di tempo.

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La teoria degli urti

Gli atomi si legano attraverso le loro porzioni più esterne

Perché si formi un legame tra i reagenti (dunque perché avvenga una reazione) è necessario che i loro atomi si urtino

Fattori che influenzano la velocità delle reazioni

1) Concentrazione dei reagenti

Nell’autoscontro il numero degli urti aumenta col numero delle auto presenti in pista

In autostrada il rischio di incidenti è tanto maggiore quanto più intenso è il traffico

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Nel recipiente in cui avviene una reazione il numero degli urti tra le molecole reagenti cresce col numero di particelle presenti per unità di volume, ovvero all'aumentare della loro concentrazione

C + O2 CO⇆ 2 V=K[C][O2]

V = velocità di reazione K = costante di proporzionalità

[C] = concentrazione molare del carbonio

[O2] = concentrazione molare dell’ossigeno

2H2+O2 2H⇆ 2O

V=K[H2][H2][O2]

V=K[H2] 2[O2]

La velocità delle reazioni è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, ognuna elevata al corrispondente coefficiente stechiometrico

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Nel corso della reazione le concentrazioni dei reagenti diminuiscono

La velocità delle reazioni chimiche diminuisce nel tempo.

2) Geometria delle molecole

Perché si formi un legame è necessario che le molecole si urtino nel modo giusto (urti efficaci)

All’aumentare della complessità geometrica dei reagenti gli urti efficaci sono sempre più difficoltosi

C

O

OOH

HOO

C O

HH

+ →

CO2 + H2O H⇆ 2CO3

O3 + NO O⇆ 2+NO2

La velocità delle reazioni chimiche diminuisce all’aumentare delle dimensioni e della complessità dei reagenti

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3) Suddivisione dei reagenti

Gli urti tra le molecole dei reagenti avvengono solo alla superficie di questi ultimi; nei corpi solidi solo la superficie è realmente interessata dalla reazione

Maggiore è la superficie esposta alla reazione e maggiore sarà la velocità di quest’ultima

La superficie aumenta con la suddivisione dei reagenti

La velocità delle reazioni aumenta con la suddivisione dei reagenti.

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Un granello di sostanza è formato comunque da centinaia di migliaia o da milioni di atomi (le dimensioni dell’atomo sono infatti dell’ordine dei decimilionesimi di millimetro)

L’unico sistema per suddividere ulteriormente le sostanze è quello, se possibile, di scioglierle in una soluzione

In soluzione le reazioni sono più veloci

Per questo motivo gli esseri viventi sono costituiti in abbondanza di acqua, che è un ottimo solvente

Viceversa, volendo rallentare reazioni che normalmente avvengono in acqua è possibile disidratare le sostanze.

Questo principio viene sfruttato nella conservazione degli alimenti in polvere oppure sotto sale

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C + O2

C + O + O

CO2

C + O2 CO⇆ 2 4) Energia di attivazione

Esotermica e spontanea, la reazione avviene solo grazie ad un innesco

Inizialmente è necessario fornire energia per rompere i legami all’interno dei reagenti

Energia diattivazioneSi definisce energia di attivazione

la quantità minima di energia necessaria ai reagenti perché una reazione possa avvenire

Se la reazione è esotermica, una volta iniziata si auto sostiene

L’energia di attivazione è un importante fattore di controllo delle reazioni

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5) Temperatura Molecular_collision_Ea.exe

All’aumentare della temperatura cresce l’energia cinetica delle particelle

Nello stesso senso cresce quindi la frequenza e la violenza degli urti

Cresce pertanto anche il numero degli urti efficaci

La velocità delle reazioni aumenta all’aumentare della temperatura

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Riassumendo

Una reazione chimica avviene spontaneamente se:

•Si ha un aumento di stabilità e/o di entropia;

•Le particelle si urtano nel modo giusto e con energia adeguata ;

•Viene fornita l’energia di attivazione.

Per quanto riguarda l’aspetto cinetico possiamo concludere che:

•La velocità delle reazioni diminuisce nel tempo ed all’aumentare delle dimensioni e della complessità dei reagenti ;

•La velocità delle reazioni aumenta all’aumentare della temperatura, della concentrazione e della suddivisione dei reagenti ;

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I catalizzatori

Per accelerare una reazione non sempre è possibile scaldare i reagenti, suddividerli oppure averli in elevate concentrazioni

Tuttavia, se abbassiamo l’energia di attivazione ed avviciniamo tra loro i reagenti, in modo che entrino in contatto con le zone che effettivamente reagiscono, la velocità della reazione aumenta ugualmente

2H2 + O2 2HO⇆ 2

H2

O2

H2O

A B C D

Il platino lega temporaneamente l’idrogeno → la concentrazione aumenta, → si libera calore che rompe i legami→aumenta la frequenza degli urti efficaci

La reazione avviene velocemente ed a freddo

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Il platino non viene consumato, in quanto di fatto non partecipa alla reazione

Ecco un esempio di catalisi

Catalizzatore: sostanza che accelera una reazione chimica senza parteciparvi e quindi senza essere consumato

I catalizzatori abbassano l’energia di attivazione ed aumentano la frequenza degli urti efficaci

I catalizzatori hanno un impiego vastissimo

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G. Natta Nobel per la Chimica 1963

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Enzimi: particolare classe di proteine con funzione di catalizzatori biologici

Attivi in tutti i tipi di cellule, rendono possibile lo svolgimento contemporaneo, e senza interferenza, di moltissime reazioni chimiche, a basse temperature e con concentrazioni ridotte

Oggi mi sento molto

reattivo

FINE