1 U 11 Equilibrio chimico. 2 Le reazioni chimiche: il tempo delle trasformazioni Velocità delle reazioni U11 Composti e comportamento reazione lentissima......reazione

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U 11

Equilibrio chimico

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Le reazioni chimiche: il tempo delle trasformazioni

Velocità delle reazioni U11 Composti e comportamento

reazione lentissima...

...reazione velocissima

Tutte le reazioni chimiche possono avvenire in tempi diversi, a seconda della natura dei reagenti e delle condizioni operative nelle quali si sviluppano. I sedimenti organici, per esempio, richiedono tempi dell’ordine di milioni di anni per trasformarsi in combustibili fossili. Al contrario, la loro combustione richiede alcuni minuti, la formazione di stalattiti procede per millenni, ma la decomposizione della nitroglicerina ha un decorso esplosivo, in una frazione di secondo.

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Molteplici sono i fattori che possono intervenire sulla velocità delle reazioni.

1) La natura dei reagentiL’influenza della natura dei reagenti è comprensibile considerando che le reazioni chimiche comportano sempre la rottura dei legami in essi presenti e la formazione di nuovi legami nei prodotti. L’ossigeno, per esempio, reagisce velocemente con i metalli alcalini e molto più lentamente con il ferro per formare ossidi come nella ruggine.

La superficie del sodio si ricopre velocemente di ossido. Quella del ferro resiste più a lungo.


2) La superficie di contattoDue sostanze, inoltre per poter interagire, devono venire a contatto. Se i reagenti si trovano in fasi differenti, possono interagire solo sulla superficie di contatto. Ecco perché, per facilitare la reattività di un reagente solido con un liquido o con un gas, lo si frammenta.


3) la concentrazione dei reagentiUn altro modo per rendere veloce la reazione tra due sostanze consiste nell’aumentare la loro concentrazione. Con l’aumento del numero di particelle presenti nel solvente, infatti, aumenta anche la probabilità che esse si incontrino. La combustione di un pezzo di legno, per esempio, è più vivace se brucia in un’atmosfera più ricca di ossigeno: è ciò che succede ogni qualvolta si attizza il fuoco in un camino, favorendo l’afflusso dell’aria, e quindi dell’ossigeno, verso la zona di combustione o lo si alimenta soffiandoci sopra.


4) la temperatura di reazioneL’effetto della temperatura sulla velocità delle reazioni è facilmente osservabile. La velocità di reazione è sempre aumentata da un incremento della temperatura. Nei processi biologici. In estate, per esempio, l’attività metabolica degli organismi è più marcata che in inverno. Gli animali ibernanti, infatti, durante il periodo letargico abbassano la propria temperatura corporea per ridurre l’attività metabolica e la richiesta di cibo.


5) la presenza di catalizzatoriIn alcuni casi, l’osservazione ci mostra reazioni la cui velocità è così bassa che sembrano non avvenire; in presenza di particolari sostanze, tuttavia, si attivano. Nel sangue la presenza dell’enzima catalasi, accelera la reazione di decomposizione dell’acqua ossigenata in acqua e ossigeno: H2O2 → H2O + O2

Anche Il diossido di manganese catalizza la decomposizione dell’acqua ossigenata

La velocità di reazione può essere accelerata (o rallentata) mediante l’aggiunta di opportune sostanze, dette catalizzatori. Un catalizzatore è quindi una sostanza la cui presenza modifica la velocità di una reazione, senza però venire alterata dalla reazione stessa.

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L’equilibrio delle reazioni: una situazione dinamica

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Molte reazioni non portano alla completa conversione dei reagenti in prodotti, anche se le quantità iniziali dei reagenti sono nei corretti rapporti stechiometrici.

Una reazione reversibile come, per esempio, quella tra H2 e I2 che danno HI, viene sempre indicata con la doppia freccia. Essa può essere considerata composta da due reazioni, una diretta e una inversa:

simbolo di

“reazione di equilibrio”

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Osservando l’andamento delle velocità delle due reazioni nel tempo si può affermare che:

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L’equilibrio chimico è di natura dinamica: il numero delle molecole di reagenti che si convertono in prodotti, in un dato tempo, è uguale a quello delle molecole che subiscono la trasformazione inversa ed è per questo che le concentrazioni delle singole specie rimangono costanti.L’equilibrio chimico è regolato dalla legge dell’equilibrio chimico, o legge dell’azione di massa (o legge di Guldbeg e Waage), che afferma:


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Per una generica reazione reversibile:

con a, b, c, d coefficienti stechiometrici, la costante di equilibrio è:

La Ke di una reazione è costante a temperatura costante, indipendentemente dai componenti del sistema e dalle loro concentrazioni iniziali.


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Proviamo a calcolare la Ke della reazione:

3 H2 + N2 2 NH3


[H2]3 [N2]

[NH3]2

Ke=

oppure della:

4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O

Ke=[NH3]4 [O2]5

[NO]4[H2O]6

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I valori delle costanti di equilibrio consentono di ricavare alcune informazioni sulle relative reazioni:

Una reazione in cui la costante di equilibrio Ke sia molto maggiore di 1 è quasi del tutto spostata a destra, cioè si considera praticamente completa. Al contrario, valori molto piccoli della costante significano che all’equilibrio sono presenti solo modestissime quantità di prodotti e i reagenti sono rimasti praticamente inalterati, in pratica una reazione per la quale Ke << 1 è quasi del tutto spostata a sinistra, cioè praticamente non avviene.


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Per esempio:

3 H2 + N2 2 NH3

ha Ke= 2,4·10-3 a 1000°C e quindi è molto spostata a sinistra

Al contrario, 2 NO + O2 2 NO2

ha Ke= 6,4·109 a 373°C e quindi è molto spostata a destra


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Esaminiamo dunque quali effetti specifici vengono provocati, in una reazione all’equilibrio, da: •addizione o sottrazione di reagenti o prodotti; •variazione della temperatura del sistema; •variazione della pressione del sistema. I catalizzatori invece non influenzano l’equilibrio. In generale si verifica che:


Questo spiega anche come una reazione reversibile possa completarsi. Se viene sottratto uno dei prodotti, magari attraverso un’altra reazione chimica o perché esso può sfuggire, come gas, la reazione diretta continua a procedere per formarne dell’altro: poiché esso viene costantemente allontanato, la reazione inversa non ha la possibilità di avvenire e non si perviene ad alcun equilibrio.

Reagenti Prodotti

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L’equilibrio è inoltre influenzato dalla temperatura che ne modifica la costante. In generale in una reazione esotermica,che cioè libera calore (Q), l’aumento della temperatura sposta l’equilibrio a sinistra, e in una reazione endotermica, che cioè assorbe calore (Q), l’aumento di temperatura sposta l’equilibrio a destra.


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L’effetto contrario si ha con una diminuzione della temperatura. In generale in una reazione esotermica,che cioè libera calore (Q), la diminuzione della temperatura sposta l’equilibrio a destra, e in una reazione endotermica, che cioè assorbe calore (Q), la diminuzione di temperatura sposta l’equilibrio a sinistra.


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Per le reazioni che avvengono in fase gassosa e con variazione del numero di molecole, anche la pressione influenza l’equilibrio. Ad esempio nella sintesi dell’ammoniaca:

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Secondo il principio di Le Chatelier, un aumento della pressione (ad esempio per riduzione del volume del recipiente) viene minimizzato dallo spostamento dell’equilibrio nel senso di una diminuzione del numero di molecole dei componenti allo stato gassoso. Una variazione della pressione, quindi, nel nostro esempio favorisce la reazione diretta (se la pressione aumenta) o quella inversa (se la pressione diminuisce).

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