Angela Zampella » 6.Uno sguardo alle energie coinvolte nelle trasformazioni organiche: cinetica e termodinamica
Termodinamica e cinetica
Affinché una reazione sia efficiente, l’equilibrio reagenti-prodotti deve favorire i prodotti e la velocità di reazione deve essere elevata per consentire la formazione dei prodotti in tempi ragionevoli. Queste due condizioni dipendono dalla termodinamica e dalla cinetica di una reazione chimica.
- la termodinamica descrive le proprietà di un sistema all’equilibrio.
- la cinetica descrive la velocità di una reazione.
Parametri termodinamici
In una reazione all’equilibrio, le concentrazioni relative dei prodotti e dei reagenti all’equilibrio sono matematicamente espressi dalla costante di equilibrio, Keq.
Quando in una reazione i prodotti sono favoriti all’equilibrio → Keq> 1
Quando in una reazione i reagenti sono favoriti all’equilibrio → Keq < 1
Equilibrio chimico
Costante di equilibrio
Termodinamica
La posizione dell’equilibrio dipende dalle stabilità relative dei reagenti e dei prodotti cioè dalle loro energie relative.
La funzione di stato termodinamica che descrive l’energia di una molecola è l’energia libera di Gibbs, simbolizzata da G0.
La differenza di energia libera tra reagenti e prodotti determina se all’equilibrio sono favoriti i prodotti o i reagenti:
ΔG0= (G0prodotti)-(G0reagenti)
Il ΔG0 è correlato alla Keq attraverso la seguente equazione.
ΔG0= – RT ln Keq
Variazione di energia libera
Spontaneità e non spontaneità nelle reazioni
Entalpia
ΔG0= ΔH0 – TΔS0
Il ΔH0, entalpia o calore di reazione, indica la forza relativa dei legami rotti e formati nella reazione.
ΔH0 complessivo = (somma ΔH0 per ogni legame rotto) – (somma ΔH0 per ogni legame formato).
I valori di ΔH0sono noti per la maggior parte dei legami e sono calcolati come energie richieste per rompere omoliticamente un legame covalente.
Calore di dissociazione e formazione di un legame
Un esempio: calcoliamo il ΔH di una reazione
Calcolo del ΔH0 di una reazione
Entropia
L’entropia è la misura del disordine di un sistema. La variazione di entropia (ΔS0) in una reazione rappresenta la variazione della quantità di disordine tra reagenti e prodotti.
ΔS0>O per reazioni in cui aumenta il disordine
ΔS0<O per reazioni in cui diminuisce il disordine
Esempio di reazione con aumento di disordine
Esempio di reazione con diminuzione di disordine
Reazioni esoergoniche e endoergoniche
Torniamo a ΔG0= ΔH0 – TΔS0.
Se complessivamente ΔG0<0 la reazione si definisce esoergonica.
Se complessivamente ΔG0>0 la reazione si definisce endoergonica.
Le reazioni esoergoniche quindi sono quelle che procedono spontaneamente verso la formazione dei prodotti.
Diagramma energia libera/coordinata di reazione
Cinetica
La Grafite è termodinamicamente più stabile del Diamante.
Perché gli anelli non si trasformano in carbone?
La termodinamica non dice nulla sul tempo necessario a far avvenire i processi chimici.
Questo riguarda invece la Cinetica Chimica.
Il diamante: una forma alleotropica del carbonio
Cinetica
La cinetica descrive la velocità della reazione.
La velocità di reazione dipende:
- Numero di collisioni tra molecole in un determinato tempo
- Numero di collisioni con energia maggiore della barriera energetica
- Numero di collisioni con opportuna orientazione
È direttamente proporzionale:
- alla concentrazione dei reagenti
- alla temperatura
Energia di attivazione
Energia di attivazione
Reazioni lente e veloci
Reazioni esoergoniche e endoergoniche, lenti e veloci
Cosa c’è al massimo della curva?
Il massimo di energia è chiamato stato di transizione.
E’ una specie ad elevato contenuto energetico, non isolabile, dove i legami sono parzialmente rotti e parzialmente formati.
Come possiamo rappresentare uno stato di transizione?
Stato di transizione
Stato di transizione
Stato di transizione
Postulato di Hammond
Postulato di Hammond
Le lezioni del Corso
1. Introduzione ai composti organici. Gruppi Funzionali e ibridazione del carbonio
3. I composti organici più semplici: gli alcani Nomenclatura IUPAC
4. Analisi conformazionale degli alcani
5. I cicloalcani: la tensione di anello
6. Uno sguardo alle energie coinvolte nelle trasformazioni organiche: cinetica e termodinamica
7. Gli alcheni: struttura e reattività. Rappresentazione di un meccanismo di reazione
9. Gli alchini: le reazioni - Gli ioni acetiluro in sintesi organica
10. L'affascinante mondo della stereochimica I
11. L'affascinante mondo della stereochimica II
12. Gli alogenuri alchilici: la reazione di sostituzione
13. Gli alogenuri alchilici: la reazione di eliminazione
14. La reazione di sostituzione e eliminazione nella sintesi organica
16. Composti organici contenenti ossigeno: gli alcoli, gli eteri e gli epossidi
17. Il benzene e l'aromaticità
Il Podcast della lezione
Le altre lezioni del corso con podcast
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3. I composti organici più semplici: gli alcani Nomenclatura IUPAC
4. Analisi conformazionale degli alcani
5. I cicloalcani: la tensione di anello
6. Uno sguardo alle energie coinvolte nelle trasformazioni organiche: cinetica e termodinamica
7. Gli alcheni: struttura e reattività. Rappresentazione di un meccanismo di reazione
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