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Cinetica e Termodinamica

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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.
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