Termodinamica e cinetica Questione di grande importanza, pratica e teorica, è la gestione delle reazioni chimiche; le reazioni chimiche riguardano infatti tutti i settori di nostro interesse: l’alimentazione, la vita quotidiana, i fenomeni biologici, la produzione industriale, ecc.. Quando parliamo di “gestione” delle reazioni chimiche ci riferiamo sostanzialmente a questioni del tipo: una determinata reazione avviene spontaneamente? Quanti reagenti si trasformano in prodotti? Quanto velocemente avviene una determinata reazione? Come posso influire, dall’esterno, sugli aspetti precedenti? La Chimica e la Fisica si sono ampiamente occupate di questi aspetti ed hanno messo a punto dei modelli matematici in grado di rispondere a queste esigenze. I primi due aspetti rientrano nella disciplina chiamata “Termodinamica”; il terzo nella “Cinetica chimica”. Il quarto punto riguarda entrambe le discipline. Per esemplificare la questione possiamo ricorrere ad una analogia quotidiana, forse riduttiva ma utile. Consideriamo una pallina che si trovi su un terreno in un punto, chiamiamolo “A” e supponiamo di voler prevedere il suo spostamento “spontaneo” ad un altro punto, chiamiamolo “B”; Ci chiediamo, analogamente a quanto enunciato per le reazioni, se lo spostamento: Avverrà spontanemente? Con quale velocità? La risposta alla prima domanda è: “si, avverrà spontanemente”, in conseguenza del fatto che la “quota” del punto B è inferiore a quella del punto A; pertanto la pallina, che come tutti i sistemi fisici, ha la tendenza a spostarsi spontaneamente in posizioni con minore energia, si muoverà verso il punto B. Con riferimento alla reazione chimica possiamo enunciare un principio analogo: i reagenti si tramuteranno spontaneamente in prodotti se questi ultimi avranno un livello di energia inferiore ( per essere precisi dovremmo parlare in effetti di “energia libera”, ma in questa fase sarebbe prematuro). Questo aspetto della reazione è studiato dalla TERMODINAMICA. La risposta alla seconda domanda è una questione studiata invece dalla CINETICA CHIMICA. In sostanza la termodinamica ci dice se la pallina si sposta spontaneamente da A a B, ma non ci dà informazioni sul tempo che essa impiegherà: Nel disegno le palline, nelle due situazioni hanno stessa “termodinamica” (stessa differenza di quota), ma differente “cinetica”; entrambe si spostano spontaneamente ma con differente velocità. Entrambe gli spetti sono importanti. Affinché una reazione sia efficiente, l’equilibrio reagenti-prodotti deve favorire i prodotti e, allo stesso tempo, 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. Cinetica chimica Consideriamo la seguente reazione chimica tra la, generica, molecola AB e la molecola CD: AB + CD AD + CB Come abbiamo detto prima se essa risulta spontanea vorrà dire che gli atomi A, B, C, D, “organizzati” sotto forma di molecole AD e CB hanno un livello di energia (libera) inferiore, rispetto alle molecole dei reagenti. Ma come possiamo stimare la velocità con cui avviene il processo? Cerchiamo di capire in quale modo avviene, operativamente, la trasformazione delle molecole di reagenti in molecole di prodotti. Ogni reazione consiste in effetti nella rottura dei legami esistenti e nella formazione dei nuovi legami; tuttavia occorre tenere presente che la rottura di un legame non può essere mai spontanea (perché il legame si forma proprio per abbassare il livello di energia) e quindi per poter avvenire deve essere fornita una certa quantità di energia (possiamo definirla “energia di attivazione”). Ma, allora, dove si può reperire questa energia? Essa proviene dagli urti tra molecole; infatti ogni molecola è dotata di una certa velocità (in funzione della sua energia cinetica Ec= ½ mv2) tanto più elevata quanto più alta è la temperatura del sistema: Quando le molecole si urtano la loro velocità diminuisce, o si annulla; noi sappiamo tuttavia che l’energia non si distrugge (Principio di conservazione dell’energia); semplicemente essa si trasforma in una nuova forma: viene “accumulata” nella molecola proprio rompendo i legami costituenti (energia potenziale): A questo punto ogni atomo è singolo ed ha molta energia (complesso di attivazione); il sistema, come già detto, tende a diminuire il livello energetico ed ha un modo efficiente di farlo: effettuare nuovi legami. Si formeranno quindi le nuove molecole, abbassando così l’energia potenziale del sistema. Nella prossima lezione vedremo come, sulla scorta di quanto abbiamo fin qui detto, si possa arrivare ad una espressione per il calcolo della velocità di una reazione.
