Un cenno di Cinetica ChimicaLe reazioni chimiche conducono alla formazione di nuove sostanze, dette prodotti, a partire da altre sostanze dette reagenti. Il processo avviene attraverso la rottura di vecchi legami e la formazione di nuovi legami; pertanto l'evento reattivo prevede l'incontro tra molecole. A 0°C e 1 atm, la teoria cinetica dei gas prevede che il numero di molecole che si urtano sia pari a circa 1029 molecole/(cm3 sec.); se ogni singolo urto conducesse alla formazione di prodotto, avremmo come risultato che le reazioni avverrebbero tutte con velocità elevatissime. Esistono in realtà alcuni fattori limitanti ed altri discriminanti per le diverse reazioni. Affinché un urto risulti efficace ai fini del processo reattivo è necessario che esso avvenga: a) con energia sufficiente a provocare la rottura dei legami (energia di attivazione)
La cinetica chimica è una parte della scienza con carattere squisitamente sperimentale con lo scopo teorico di determinare il meccanismo di una reazione e quello pratico di verificarne l'effettiva fattibilità. Le possibilità di prevedere con buona approssimazione il meccanismo di una reazione sono dettate solamente dall'esperienza di chi lavora da tempo in un campo specifico e con particolari reagenti. La stechiometria di una reazione, infatti, raramente indica il vero meccanismo del processo, che può essere ben più complesso di un pur semplice bilancio stechiometrico. Le reazioni con stechiometria complessa avvengono sempre con una sequenza più o meno numerosa di reazioni elementari.
Come già accennato, il più delle volte le reazioni procedono attraverso un certo numero di eventi semplici (stadi elementari): quello più lento è quello che determina la velocità globale del processo. Le reazioni dell'idrogeno con gli alogeni bromo e cloro, pur avendo medesima stechiometria della reazione precedente, avvengono con un meccanismo radicalico a catena:
Uno dei libri che vi sono stati consigliati (Schiavello) propone il seguente esempio che riguarda una reazione che avviene, alle opportune temperature, in fase gassosa:
Velocità di reazione Per velocità di reazione si intende la rapidità con cui scompaiono i reagenti o, analogamente, la rapidità con cui si formano i prodotti. La velocità è rappresentata dalla variazione della concentrazione rapportata al tempo in cui si verifica.
Come per i sistemi fisici, la velocità può non essere costante, pertanto è determinata in maniera istantanea come il limite del rapporto Δ[A]/Δt per l'intervallo di tempo tendente a zero, ovvero come la derivata della concentrazione rispetto al tempo. Per un reagente è necessario inserire un segno negativo con lo scopo evidente di rendere positivo il valore della velocità, mentre non è necessario nel caso si consideri un prodotto la cui concentrazione tende a crescere.
Per una generica reazione in cui i coefficienti non sono tutti unitari
nel definire la velocità di reazione si deve dividere la derivata per il coefficiente che accompagna la specie, altrimenti osserveremmo velocità diverse per reagenti o prodotti con differente coefficiente stechiometrico (!?).
Metodi per misurare la velocità di reazione Ordine e Molecolarità
La velocità di una reazione chimica, misurata istante per istante, dipende da alcuni fattori chimici e fisici. Uno dei fattori importanti è proprio la temperatura; più avanti valuteremo brevemente la sua influenza sulla velocità di un processo chimico.
ove k è la costante di velocità specifica (la velocità riferita a concentrazioni tutte unitarie). Le concentrazioni delle specie interessate al processo risultano elevate ad opportuni coefficienti n ed m, che possono essere diversi dai coefficienti stechiometrici e talune volte sono numeri non interi. Tenendo presente che una legge di velocità è sempre ricavata sperimentalmente, si definisce ORDINE TOTALE (o GLOBALE) di reazione la somma degli esponenti presenti nelle concentrazioni delle sostanze che determinano la velocità del processo (n+m). Come ORDINE PARZIALE si intende l'esponente presente nel termine di concentrazione della singola sostanza presa in considerazione. La legge di velocità (e di conseguenza l'ordine di una reazione) viene determinata sperimentalmente e, anche se non pretende di chiarire in maniera assoluta il meccanismo di una reazione, sicuramente può fornire utili indizi a chiarire il modo con cui la reazione si verifica. Noi ci occuperemo solo di processi semplici o sistemi riducibili a quelli semplici. La MOLECOLARITA' di un processo reattivo, indica il numero di individui chimici che prendono parte all'evento reattivo che determina la velocità globale di un processo. Nelle reazioni che procedono con un meccanismo semplice, ORDINE e MOLECOLARITA' coincidono. Supponiamo, ad esempio, di avere a che fare con una reazione che procede con un semplice urto bimolecolare (meccanismo corrispondente alla simbologia di scrittura della reazione):
In questo caso la legge di velocità (ricavata sperimentalmente) verrà rappresentata dalle seguente equazione:
Il processo è del secondo ordine globale e la velocità di reazione pertanto dipenderà dalle concentrazione dei reagenti elevate all'esponente unitario. Supponiamo adesso di utilizzare un valore di concentrazione della specie B almeno dieci volte maggiore rispetto a quella della specie A. Alla fine della reazione, mentre la specie A si consuma completamente, la specie B rimane, con una certa approssimazione, quasi invariata, e spesso la sua variazione si dice che rientra nei limiti dell'errore sperimentale. Inglobando la concentrazione di B (costante) nella costante di velocità avremo:
Quello che osserveremo, monitorando la specie A, è una reazione che procede con un andamento del primo ordine (si dice di pseudo primo ordine, perchè deriva da un processo che globalmente è del secondo ordine). Cinetica descrittiva
In questo paragrafo descriveremo il comportamento analitico dei semplici processi corrispondenti a cinetiche di ordine uno, zero e due. Abbiamo accennato come sia possibile che un processo, realmente del secondo ordine, proceda sperimentalmente seguendo il primo ordine anche se la velocità effettiva dipende dalla concentrazione delle due specie. Più enigmatico può sembrare un processo di ordine zero. Come spiegare che un processo non dipende dalla concentrazione del reagente? Ebbene, pur non descrivendo il fenomeno, vi comunico che moltissime reazioni catalizzate dagli enzimi, se effettuate in opportune condizioni, procedono seguendo l'ordine zero, almeno entro certi limiti di concentrazione dei reagenti. Un'altra domanda plausibile è la seguente: Se A e B reagiscono per dare la specie AB e le concentrazioni non sono molto diverse, come è possibile che la reazione proceda seguendo il primo ordine? In questo caso la spiegazione più semplice consiste nell'intervento del solvente che permette un meccanismo alternativo all'urto bimolecolare tra i reagenti indicati nello schema stechiometrico di reazione. Non descriveremo le reazioni con inversa e neppure le reazioni consecutive. Reazioni del primo ordine
Per descrivere in dettaglio un processo del primo ordine si confronta la generica espressione della velocità di reazione con quella che si riferisce al processo del primo ordine
Il risultato del confronto fornisce una equazione differenziale del primo ordine che, integrata, permette di determinare come varia la concentrazione della specie chimica interessata (reagente) in funzione del tempo.
L'integrazione dell'equazione differenziale fornisce come soluzione una funzione di tipo esponenziale:
Dal punto di vista grafico la velocità di reazione in funzione della concentrazione è rappresentata da una retta passante dall'origine, mentre la concentrazione della specie in funzione del tempo è caratterizzata da un decadimento esponenziale a partire dal valore iniziale di concentrazione, e tende asintoticamente al valore finale. La rapidità con cui la curva si "approssima" al valore finale dipende dalla costante specifica di velocità k (sec-1). Ecco alcuni esempi relativi ad una conc. iniziale 0.1 M con diversi valori di k: Anche se implicito nella definizione di velocità, ritengo sia utile chiarire il fatto che una reazione del primo ordine non ha "una" velocità ma un numero infinito di valori, da un massimo iniziale ad un minimo pari a zero attraverso tutti i valori intermedi man mano che la concentrazione si riduce. Periodo di semitrasformazione o tempo di dimezzamento.
Reazioni di ordine zero
Analogamente al caso precedente confrontiamo la generica espressione della velocità di reazione con quella che si riferisce al processo di ordine zero:
Graficamente: Il primo grafico propone la ovvia indipendenza della velocità dalla concentrazione. Il secondo grafico ripropone la velocità costante in termini di pendenza costante (andamento rettilineo con pendenza negativa). Dal punto di vista analitico la retta dovrebbe toccare, dopo un certo tempo, l'asse delle ascisse; nella realtà si osservano sempre delle distorsioni sia nella parte iniziale che in quella finale. Ad esempio, nelle reazioni enzimatiche, l'andamento di ordine zero è presente solo per concentrazioni elevate di substrato e si osservano alterazioni quando le concentrazioni diventano minori di certe quantità. Reazioni del secondo ordine
La velocità della reazione diminuisce nel tempo man mano che si consumano i reagenti A e B. Per questioni di semplicità e per mantenere il carattere introduttivo al corso di elementi di Chimica fisica, trattiamo il caso in cui la concentrazione dei due reagenti sia uguale:
La Soluzione (1) viene utilizzata per linearizzare i dati sperimentali di una reazione del secondo ordine. La Soluzione (2), che deriva dalla Soluzione (1), indica come varia nel tempo la concentrazione dei reagenti. La figura seguente propone un confronto tra una cinetica del primo e una del secondo ordine. Si nota che mentre la cinetica del primo ordine praticamente termina dopo circa 6 o 7 tempi di dimezzamento, le cose vanno diversamente per quelle del secondo ordine. Queste ultime rallentano in maniera diversa e i tempi di dimezzamento non sono costanti ma si allungano vistosamente e la reazione diventa molto lenta.
Velocità di reazione e temperatura Come accennato all'inizio di questi cenni di Cinetica Chimica, dai numerosi urti tra le molecole, solo quelli con energia superiore alla "energia di attivazione" possono avere esito favorevole (sempre che l'urto avvenga lungo la direzione giusta). Pertanto solo una parte degli urti sarà efficace ed il processo avverrà gradualmente. Il termine "gradualmente" spazia dai microsecondi ai giorni ed anche oltre. Queste differenze di velocità, talora molto vistose tra differenti reazioni, sono dovute alle diverse energie di attivazione oltre che a dissimili problematiche steriche. Secondo Boltzmann il numero di particelle che statisticamente possiedono energia superiore ad un dato valore (Eatt) viene dato da:
Il termine esponenziale rappresenta la frazione di molecole aventi energia superiore a Eatt. La costante di velocità di una reazione può essere interpretata con una formulazione similare.
In cui Z (fattore di frequenza) rappresenta il numero di urti, per unità di tempo, che si verificano quando i reattivi hanno concentrazione unitaria. Sebbene questa espressione spiega bene la dipendenza dalla temperatura, fornisce valori troppo elevati e considera "Eatt" come unico fattore discriminante tra due reazioni diverse. Introducendo un altro fattore, detto fattore di probabilità (o fattore sterico) che indica appunto la probabilità che l'urto si verifichi secondo una specifica orientazione spaziale favorevole, abbiamo:
Uno studio sistematico della relazione esistente tra la velocità di reazione e la temperatura venne fatto per la prima volta da Svante Arrhenius avvalorando così la teoria dell'urto attivato. Nell'espressione di Arrhenius compaiono come termini esponenziali sia la temperatura che l'energia di attivazione.
Il termine pre-esponenziale "A" dipende poco dalla temperatura, ma include il fattore sterico o di probabilità della reazione considerata e il fattore di frequenza degli urti. In particolare si osserva una relazione lineare tra i logaritmi delle costanti di velocità e l'inverso della temperatura assoluta.
TEORIA DELLO STATO DI TRANSIZIONE Il complesso attivato è una entità molecolare di vita effimera ma a cui vengono associate sue proprie proprietà termodinamiche. Esso ha una energia potenziale superiore a quella posseduta dai reagenti e dai prodotti. Nella direzione reagenti-> prodotti, la differnza di energia è pari all'energia di attivazione della reazione. Catalisi e catalizzatori Alcune sostanze, se inserite nell'ambiente di reazione, hanno la particolarità di accelerare certi tipi di reazione. Queste sostanze si chiamano catalizzatori. Se i catalizzatori hanno la stessa fase dei reagenti si parla di catalisi omogenea, altrimenti si parla di catalisi eterogenea. Nei sistemi biologici esiste un tipo di catalisi estremamente importante (microeterogenea) detta enzimatica perchè sono chiamati "enzimi" quelle sostanze (dal greco letteralmente "nel lievito") che presentano l'effetto catalitico. Gli enzimi sono macromolecole, in gran parte di natura proteica ma che spesso usano le proprietà dei metalli per attivare sistemi redox.
Il meccanismo del processo catalizzato è generalmente più complicato e può prevedere un numero maggiore di stadi di reazione, ma tutti con energia di attivazione più bassa rispetto a quella del processo non catalizzato. Si consideri ad esempio la generica reazione:
Supponiamo che avvenga con un meccanismo semplice, con un urto bimolecolare tra le sostanze A e B. Se l'energia di attivazione è elevata il processo sarà conseguentemente lento.
Il catalizzatore, con la sua presenza, facilita in qualche modo la reazione tra A e B, ed alla fine rimane inalterato. Globalmente il processo conduce agli stessi prodotti ma attraverso due stadi di reazione completamente diversi, seguendo un profilo di reazione con due diverse energie di attivazione, entrambe, come già detto, di valore inferiore a quella più elevata prevista per l'urto bimolecolare tra A e B: Il meccanismo descritto prevede la formazione di un intermedio di reazione (A-Cat) nel quale interviene direttamente il catalizzatore. Si può pensare che la specie A, quando è legata al catalizzatore si dispone favorevolmente all'attacco della specie B, sia a causa di un allentamento dei legami al suo interno che in termini di probabilità d'urto. Velocità delle reazioni in soluzione
La presenza del solvente può influenzare in maniera molto marcata la velocità di una reazione, specie se confrontata con un evento reattivo in fase gassosa. In soluzione le molecole dei reagenti sono circondate dalle molecole del solvente che ne ostacolano l'incontro.
Per riuscirci le molecole dei reagenti devono diffondere attraverso il solvente ma, una volta che si incontrano, rimangono ingabbiate e non si allontanano facilmente.
Questo fatto permette un certo numero di urti in posizione diversa aumentando il fattore di probabilità (sterico) a tal punto che alcune reazioni che avvengono in soluzione possono essere veloci quanto e più le corrispettive in fase gassosa.
APPENDICE MONITORAGGIO DI UNA REAZIONE MEDIANTE SPETTROSCOPIA UV-VIS La figura seguente mostra il monitoraggio di una miscela di reazione in soluzione mediante spettroscopia UV-VIS. In generale, dopo un primo approccio spettrale, si registrano solo se variazioni spettrali ad una singola lungezza d'onda scelta tra le più convenienti (es. per avere la più ampia variazione spettrale) Nella figura seguente viene illustrato un altro esempio in cui si è scelta un specifica lunghezza d'onda per seguire la rapidità del processo cinetico. Nella parte sinistra si vedono gli spettri registrati in tempi successivi; nella parte si sinistra si può osservare l'andamento dell'assorbanza in funzione dello scorrere del tempo
Nella figura seguente viene riportato l'andamento cinetico di una reazione su carta millimetrata. Un buon numero di dati ad essa relativi, sono stati da me estratti e trascritti utilizzando una scala arbitraria delle assorbanze. Verificare che l’andamento è del primo ordine e determinare la costante specifica di velocità.
NOTA INTEGRAZIONE (processo cinetico del secondo ordine)
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