Cinetica chimica

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La cinetica chimica è quel ramo della chimica fisica che studia la velocità con cui avviene una reazione chimica e tutti i fattori in grado di influenzarla. Il suo campo di studio si estende anche ai meccanismi implicati nella formazione dei prodotti finali.

[modifica] Generalità

Effetti dell'aumento della concentrazione nelle reazioni chimiche

In natura esistono reazioni termodinamicamente consentite (e quindi con ΔG<0), ma talmente lente da non avvenire in pratica.

Un esempio è la carta in presenza dell'ossigeno dell'aria: a temperatura ambiente, la reazione è talmente lenta che occorrono decenni all'ossigeno per "bruciare" uno strato superficiale di carta, rendendola gialla e fragile. La carta è definita per questo un composto metastabile, cioè un composto instabile da un punto di vista termodinamico, ma stabile da un punto di vista cinetico.

O ancora, il carbonio, la cui forma stabile è la grafite (presente per esempio nelle mine delle matite) mentre il diamante ne è una forma metastabile. Ma la trasformazione del diamante in grafite è così lenta che praticamente il diamante rimane tale.

[modifica] Come avviene una reazione

Grafico che riporta la variazione dell'energia potenziale in funzione della coordinata di reazione. La generica reazione descritta è X→Y (con la relativa reazione inversa) e viene fatto anche un confronto nel caso in cui sia presente un catalizzatore (linea rossa). La differenza di energia tra prodotti e reagenti rappresenta l'entalpia di reazione (ΔH).

Affinché avvenga una reazione chimica è necessario che i reagenti possiedano un livello minimo di energia definita energia di attivazione. In queste condizioni, i legami originari che caratterizzano le molecole dei reagenti subiscono una scissione con formazione di nuovi legami che danno vita a un composto intermedio e metastabile, caratterizzato da elevata energia potenziale e definito "complesso attivato". Quindi, i nuovi deboli legami chimici appena formatisi subiscono un riarrangiamento definitivo formando i prodotti di reazione finali.

Grafici come quello mostrato a lato si riscontrano comunemente in cinetica chimica e riportano la variazione dell'energia potenziale in funzione del decorso della reazione (la cosiddetta coordinata di reazione); sono utili per descrivere qualitativamente il percorso di una reazione. Spesso viene riportato, per ragioni semplificative, solamente un massimo di energia potenziale (energia corrispondente al complesso attivato) ma nella realtà tali massimi sono solitamente più di uno.

Un approccio più elaborato si basa sullo studio delle superfici di energia potenziale.

[modifica] Studio cinetico di una reazione

Uno studio cinetico della velocità di una reazione può essere effettuato monitorando le concentrazioni delle specie presenti durante lo svolgersi della reazione e cercando una funzione matematica che approssimi questi valori. Ripetendo le misurazioni a diverse temperature si possono ricavare le condizioni ottimali in cui svolgere una reazione ed alcuni parametri quali l'energia di attivazione o la costante di velocità di una reazione.

Lo studio del meccanismo di reazione viene effettuato ipotizzando un percorso di reazione e suffragandolo poi sperimentalmente (ad esempio tramite la spettroscopia) verificando la presenza degli intermedi ipotizzati nel meccanismo o di sottoprodotti derivanti da reazioni collaterali ammesse dal meccanismo ipotizzato. Importante è anche il riscontro pratico della effettiva stereochimica di reazione.

[modifica] Fattori influenzanti la velocità di reazione

I fattori in grado di influenzare la velocità di reazione possono sommariamente così elencarsi:

1. Natura dei reagenti: ad essa è legata la peculiare reattività chimica, dovendosi dapprima scindere i legami originari per poi originare i nuovi composti.
2. Stato fisico: le reazioni in fase condensata sono generalmente più lente di quelle in fase gassosa, essendo minore la frequenza degli urti e la possibilità che avvenga un contatto più "intimo" tra le molecole dei reagenti.
3. Concentrazione: una maggiore concentrazione dei reagenti implica una maggiore frequenza collisionale, con il risultato di aumentare la probabilità dei cosiddetti "urti efficaci" (ovvero quelli in grado di superare la barriera energetica) e rendere quindi maggiormente agevole il verificarsi di una reazione chimica.
4. Temperatura: un aumento di temperatura provoca un aumento dell'energia cinetica media delle molecole che quindi hanno una maggiore probabilità di reagire (vedi anche equazione di Arrhenius).
5. Catalizzatori: sono sostanze che non si consumano durante una reazione e fanno avvenire il processo chimico attraverso un percorso alternativo al quale compete minore energia di attivazione.

[modifica] Importanza della cinetica chimica

L'importanza della cinetica è notevole, essendo essa alla base di ogni progettazione e ottimizzazione dei processi chimici produttivi, anche per gli aspetti inerenti la loro sicurezza. In particolare di grande risalto è la messa a punto di specifici catalizzatori che non solo si rivelano utili nell'aumentare la velocità di reazione, ma parmettono soventemente la sintesi in condizioni operative (pressione, temperatura) meno drastiche con un conseguente notevole risparmio energetico ed economico.

[modifica] Bibliografia

• James E. House, Principles of Chemical Kinetics, Second Edition, Academic Press, 2007. ISBN 978-0123567871.
• Luis Arnaut, Sebastiao Jose Formosinho, Hugh Burrows, Chemical Kinetics: From Molecular Structure to Chemical Reactivity, Elsevier Science, 2006. ISBN 0444521860.

[modifica] Voci correlate

• Velocità di reazione
• Energia di attivazione
• Equazione di Arrhenius
• Meccanismo di reazione
• Catalisi
• Postulato di Hammond
• Termodinamica