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Antonello Santini » 19.Cenni di Cinetica Chimica


La cinetica chimica

  • La cinetica chimica studia la velocità con cui avvengono le reazioni e i fattori da cui essa dipende tra cui la presenza di catalizzatori. Propone inoltre il meccanismo attraverso cui si realizza una reazione per urto tra le molecole (teoria delle collisioni).
  • Le reazioni chimiche che procedono fino al totale esaurimento dei reagenti sono irreversibili e dette complete.
  • Le reazioni chimiche che si arrestano prima che i reagenti siano stati consumati, cioè procedono sia nella direzione dai reagenti ai prodotti che nella direzione opposta, sono reversibili e dette incomplete.

La cinetica chimica


La cinetica chimica


La cinetica chimica

La reazione tra zinco e acido cloridrico in soluzione, con sviluppo di idrogeno gassoso, è lenta se lo zinco è in forma compatta (lamina), mentre è più veloce se lo zinco è in polvere

La reazione tra zinco e acido cloridrico in soluzione, con sviluppo di idrogeno gassoso, è lenta se lo zinco è in forma compatta (lamina), mentre è più veloce se lo zinco è in polvere


Velocità di reazione


Velocità di reazione

Variazione delle concentrazioni dei reagenti A+B e dei prodotti C+D nel corso di una reazione chimica completa

Variazione delle concentrazioni dei reagenti A+B e dei prodotti C+D nel corso di una reazione chimica completa


Velocità di reazione

La velocità di una reazione non è costante nel tempo, ma può variare, quindi può essere stabilita soltanto per via sperimentale: determinando, per esempio, in tempi successivi la concentrazione di un reagente o di un prodotto è possibile ipotizzare una relazione quantitativa tra velocità e concentrazioni di uno o più reagenti. Se l’ipotesi è esatta la rielaborazione matematica dei dati sperimentali deve verificare la relazione ipotizzata. Altrimenti si procede con la sperimentazione finché i dati verificano la relazione.

Costante di velocità


Costante di velocità

Generalmente i coefficienti α e β non coincidono con i coefficienti stechiometrici a e b, rispettivamente. Ciò accade perché in certi casi una reazione chimica avviene con un meccanismo a due o più stadi successivi ed è la velocità dello stadio lento quella che determina la velocità globale della reazione.


Interpretazione dell’effetto dei fattori che influiscono sulla velocità di reazione in base alla teoria delle collisioni


Fattori che influiscono sulla velocità di una reazione


Fattori che influiscono sulla velocità di una reazione

Natura dei reagenti: le reazioni che implicano rottura dei legami chimici tendono ad essere lente seppure con molte eccezioni, mentre le reazioni, come quelle che avvengono tra ioni, che non comportano rottura di legami, sono generalmente rapide.

Concentrazione dei reagenti: la velocità di una reazione aumenta all’aumentare della concentrazione dei reagenti.

Temperatura: la velocità di reazione dipende in generale dalla temperatura.

Fattori che influiscono sulla velocità di una reazione

Stato di suddivisione dei reagenti: nelle reazioni eterogenee, in cui cioè i reagenti si trovano in stati fisici differenti, la velocità è tanto maggiore quanto maggiore è la suddivisione del reagente solido, in quanto aumenta la superficie del contatto.

Presenza di catalizzatori: una reazione può essere accelerata dalla presenza di particolari sostanze, dette catalizzatori, che si ritrovano inalterate al termine della reazione, fenomeno detto catalisi. Queste osservazioni sperimentali possono essere interpretate alla luce della teoria delle collisioni.

Teoria delle collisioni

Secondo il modello della teoria delle collisioni, una reazione chimica si verifica quando: le particelle di reagenti (atomi, ioni, molecole) si urtano tra di loro e gli urti sono efficaci.


Teoria delle collisioni

Gli urti sono efficaci, cioè hanno luogo tra particelle disposte con un’orientazione reciproca favorevole e avvengono tra particelle che possiedono un’energia cinetica sufficiente a vincere le forze repulsive elettrostatiche tra le rispettive nubi elettroniche.

In queste condizioni le nubi elettroniche dei reagenti si compenetrano, formando un raggruppamento instabile di atomi ad alta energia, detto complesso attivato, nel quale avviene il riarrangiamento degli elettroni di legame tra gli atomi che da origine alle nuove strutture corrispondenti ai prodotti di reazione.

Energia di attivazione

Le particelle responsabili degli urti efficaci posseggono energia cinetica uguale o superiore all’energia del complesso attivato: la differenza tra il contenuto energetico dei reagenti e l’energia del complesso attivato è chiamata energia di attivazione (Ea).

Diagramma di variazione dell’energia potenziale

Diagramma di variazione dell'energia potenziale


Energia di attivazione

L’energia di attivazione è una “barriera energetica” che i reagenti devono superare per poter reagire tra di loro: più piccola è l’energia di attivazione, meno energia si deve fornire ai reagenti (per es. sotto forma di calore) per formare il complesso attivato, e quindi è più rapida la reazione.

In base alla teoria delle collisioni e alla nozione di energia di attivazione è possibile interpretare l’effetto dei fattori che influenzano la velocità di reazione e comprendere il fatto che alcune reazioni avvengono attraverso un meccanismo a stadi.

Energia di attivazione

Profilo di reazione che mostra la variazione dell’energia potenziale di un sistema chimico in funzione della “coordinata di reazione”; applicato al caso di una reazione esoergonica, cioè che avviene con cessione di energia.

La coordinata di reazione è un parametro di riferimento che rappresenta il modo in cui avanza la reazione a livello microscopico: in particolare, i diversi atomi cambiano posizione passando dai reagenti ai prodotti, e ciò determina appunto la variazione della loro energia potenziale. L’energia di attivazione rappresenta un ostacolo da superare per il successo della reazione.


I materiali di supporto della lezione

Svante Arrhenius

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