Reazione chimica
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Una reazione chimica è una trasformazione della materia che avviene senza variazioni misurabili di massa, in cui uno o più reagenti iniziali modificano la loro struttura e composizione originaria per generare i prodotti.
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[modifica] Premesse e definizioni della reazione chimica
La materia è composta da atomi. Ogni atomo possiede proprietà peculiari, derivanti dalla sua struttura atomica. Gli atomi possono legarsi tra loro per formare le molecole. Un composto chimico è un tipo particolare di molecola nella quale gli atomi sono diversi tra loro.
Ad esempio, l'ossigeno forma una molecola fatta con due atomi di ossigeno, mentre l'acqua è una molecola composta da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno, e quindi è anche un composto chimico.
Le molecole si formano attraverso una reazione chimica che consiste in una rottura e formazione di legami chimici tra atomi.
Le reazioni chimiche non provocano un cambiamento di natura della materia, perché non influenzano i suoi costituenti fondamentali (gli atomi) ma solo la maniera in cui sono aggregati in molecole; non influenzano nemmeno l'aggregazione di molecole simili, quindi le trasformazioni puramente fisiche, come i cambiamenti di stato (fusione, solidificazione, evaporazione, ebollizione...), l'usura e l'erosione, la frattura, etc.. non sono reazioni chimiche.
Allo stesso modo, non fanno parte delle reazioni chimiche le trasformazioni dei nuclei atomici, cioè le reazioni nucleari. Purtuttavia tali reazioni assumono anche un certo interesse in chimica e vengono studiate dalla chimica nucleare.
Le reazioni chimiche, dunque, riguardano eclusivamente le variazioni dei legami tra gli atomi (legame covalente, legame ionico, legame metallico).
[modifica] Reazioni endotermiche ed esotermiche
Una reazione può sviluppare calore, in tal caso è detta esotermica, o assorbire calore, ed essere quindi endotermica. Una reazione esotermica è quindi una reazione che comporta un trasferimento di calore dal sistema all'ambiente. Similmente una reazione endotermica è una reazione che comporta un trasferimento di calore dall'ambiente al sistema. Necessita dunque di energia esterna per procedere.
Il sistema è la parte dell'universo oggetto di studio (nel nostro caso sistema chimico, ad es. solvente, reagenti e prodotti presenti in un becher (che rappresenta il contorno del sistema)), mentre l'ambiente è tutto cio che circonda il sistema stesso. Sistema + ambiente costituiscono un sistema isolato: l'universo è un sistema isolato.
[modifica] Fattori causali, condizioni ed effetti
I composti chimici presenti all'inizio della reazione sono detti reagenti, quelli che si ottengono alla fine della reazione sono invece i prodotti di reazione.
Una reazione non può avere luogo, o viene rallentata fino a fermarsi o addirittura a regredire se non è soddisfatta una serie di condizioni come presenza dei reagenti in misura adeguata e condizioni di temperatura, pressione e luce adatte alla specifica reazione.
[modifica] Fattori quantitativi
Dal postulato fondamentale di Lavoisier, nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma, deriva necessariamente che la somma delle masse dei reagenti è forzatamente uguale alla somma delle masse dei prodotti di reazione. Anche il numero degli atomi a destra e a sinistra dell'equazione deve restare invariato. Ad esempio nell'equazione:
che rappresenta la reazione tra idrossido di sodio ed acido cloridrico per produrre cloruro di sodio, che conosciamo bene come sale da cucina, troviamo esattamente lo stesso numero di atomi dello stesso tipo sia nella parte sinistra (reagenti) che nella parte destra (prodotti) della reazione, ma combinati in maniera diversa.
In questo caso, essendo questa una reazione tra un acido (HCl) e una base (NaOH) la reazione procederà verso la neutralizzazione completa a meno che uno dei reagenti non sia in eccesso rispetto all'altro: in questo caso, la soluzione rimarrà acida o basica a seconda del reagente in eccesso.
Alcune reazioni per avvenire hanno bisogno, o vengono facilitate, della presenza di una terza sostanza (rispetto a reagenti e prodotti) detta catalizzatore.
Il catalizzatore permette o facilita la reazione, ma viene ritrovato invariato (o quasi) tra i prodotti di reazione. In biologia i catalizzatori sono denominati enzimi. I fenomeni che hanno luogo durante una reazione chimica vengono rappresentati mediante una equazione chimica.
Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica spontanea portano ad una diminuzione dell'energia totale del sistema. In effetti, in una molecola o in un cristallo, l'organizzazione reciproca degli atomi implica un'energia, l'energia di legame; perché un legame venga rotto è necessario fornire al sistema una quantità di energia almeno pari all'energia di legame. Quando gli atomi si ricombinano, formando nuovi legami, tale energia viene liberata. Al termine di una reazione, l'energia immagazzinata nei legami dei prodotti di reazione è minore di quella inizialmente presente nei legami dei reagenti iniziali.
[modifica] Attivazione e velocità di reazione
Durante la reazione, tuttavia, esiste un momento in cui i vecchi legami si sono rotti e quelli nuovi non si sono ancora formati, è lo stato di transizione dove l'energia del sistema è massima, cosa che costituisce una vera barriera per la realizzazione della reazione (vedi: energia di attivazione).
Lo studio dell'aspetto energetico delle reazioni chimiche è la termodinamica, che ci permette di verificare se una reazione può o meno avere luogo e quanta energia è necessario fornire per superare la barriera dell'energia di attivazione; ma esiste un altro parametro importante: la velocità di reazione.
Alcune reazioni sono molto rapide, addirittura violente, come le esplosioni, altre sono talmente lente che possono continuare per anni, o secoli. Alcune sono talmente lente che i reagenti coinvolti sembrano in realtà composti stabili, come nel caso dell'ossidazione dell'alluminio, si parla in tal caso di composti "metastabili" (la forma stabile, in ambiente con presenza di ossigeno, è l'ossido di alluminio, mentre quella metastabile è l'alluminio metallico); ad occuparsi di studiare la velocità di reazione è la cinetica chimica.
Per quantificare la velocità di una reazione si utilizza il grado di avanzamento della reazione α, definito globalmente come la proporzione di miscela che ha già reagito (α=0 all'inizio della reazione, α=1 quando la reazione è completa). Si può così definire la velocità di reazione come la derivata del grado di avanzamento rispetto al tempo:
[modifica] La reversibilità delle reazioni
Alcune reazioni sono reversibili, cioè il guadagno di energia avuto con la reazione è minimo, in tal modo risulta possibile anche la reazione inversa; è questo il caso della dissociazione dell'acqua, H2O, negli ioni: H3O+ e OH-. In questi casi il sistema evolve in generale verso un equilibrio dinamico, ossia il valore di α rimane stabile e compreso tra 0 e 1, il numero di molecole che reagiscono in un senso è quindi compensato dal numero di molecole che reagiscono nell'altro.
La cinetica di una reazione dipende da numerosi fattori, il più importante è la temperatura: l'energia termica permette sia di superare la barriera dell'energia di attivazione più facilmente, sia di avere un numero maggiore di collisioni tra le molecole reagenti.
[modifica] Reazioni e stati della materia
Un altro parametro importante è la fase in cui si trovano i reagenti. Da questo punto di vista le reazioni maggiormente favorite sono quelle in fase gassosa o liquida, dove i reagenti sono mescolati tra loro e possono facilmente venire a contatto.
In tutti gli altri casi, cioè per reazioni tra:
- un solido e un gas;
- un solido e un liquido;
- un solido e un solido;
- un liquido e un gas;
- due liquidi immiscibili;
dette reazioni eterogenee, la reazione può aver luogo esclusivamente nei punti di contatto tra le due fasi, quindi sarà più veloce se i reagenti vengono dispersi l'uno nell'altro come nel caso di:
- aerosol (fini gocce di liquido disperse in un gas);
- emulsioni (dispersioni di gocce di un liquido in un altro immiscibile);
- miscugli di polveri;
- sol (dispersioni di polveri in un liquido);
- schiume (bolle di gas disperse in un liquido).
in questo modo vengono massimizzate le superfici di contatto tra i reagenti e quindi la possibilità di reazione.
Per i solidi questo può esser quantificato misurando la superficie specifica, ossia la superficie esposta per unità di massa; una polvere o un solido poroso hanno elevati valori di superficie specifica.
[modifica] Voci correlate
- Entropia
- Entalpia
- Legge di Hess
- Cinetica chimica
- Termochimica
- Reazione spontanea
- Processo spontaneo
- Processo endotermico
- Processo esotermico
- Reazione di ossido-riduzione
- Reazione acido-base
- Reazione di neutralizzazione
- Reazione organica
- Reazione oscillante
- Reazione multi componente
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