Cinetica chimica e termodinamica

La cinetica chimica studia la velocità a cui decorrono le reazioni chimiche;la velocità ci permette di studiare fenomeni come il deterioramento degli alimenti o la durata di azione di un farmaco.
La velocità di una reazione chimica viene espressa come la variazione di concentrazione dei reagenti nell'unità di tempo e si può scrivere mediante un'equazione:
V=k(reagenti)^a
dove k è una costante che dipende dalla temperatura;a invece indica l'ordine della reazione e può assumere diversi valori ma esso può essere dedotto solo sperimentalmente.L'ordine complessivo di una reazione indica la somma delle potenze elevate ai reagenti.
Nel primo ordine a=1 la velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione di uno dei due reagenti;nel secondo ordine a=2 la velocità è direttamente proporzionale al quadrato della concentrazione di uno dei reagenti;nell'ordine zero a=0 la velocità è costante e non dipende dalla concentrazione.

La velocità aumenta sempre all'aumentare della temperatura secondo l'equazione di Arrhenius:
Ln k=Ln A-Ea/RT k=A e^-Ea/RT
dove Ea è una costante che dipende dal tipo di reazione;R è la costante dei gas perfetti(8,31 J/Kmol);T è la temperatura in Kelvin;A è il fattore di Arrhenius e dipende sia dalla frequenza degli urti e misura la probabilità che una reazione abbia luogo;e^-Ea/RT esprime il fattore energetico e dimostra che la costante di velocità dipende dalla temperatura.

La catalisi è quel fenomeno per cui la velocità di una reazione aumenta in presenza di catalizzatori che pur non partecipando alla reazione chimica abbassano l'energia di attivazione;un numero troppo elevato di molecole può superare la barriera di attivazione.I catalizzatori si legano ai reagenti favorendo la reazione fra di loro e li rilasciano quando si sono trasformati in prodotti;sono spesso catalizzatori i metalli come il platino,l'argento e il ferro.Un catalizzatore è omogeneo quando è presente nello stesso stato fisico dei reagenti;l'autocatalisi avviene quando uno dei prodotti funge da catalizzatore per cui man mano che si forma la velocità della reazione aumenta.Gli enzimi sono catalizzatori biologici,ovvero proteine che presentano nella loro struttura un sito attivo nel quale ha luogo una reazione chimica precisa;il substrato,reagente principale,viene guidato al sito attivo tramite forza elettrostatica e viene trasformato,questa trasformazione modifica il sito attivo che rilascia il prodotto finito e l'enzima torna alla conformazione originaria.

Nella teoria del complesso attivato quando due molecole si avvicinano tra di loro la loro energia potenziale aumenta fino a raggiungere un valore massimo in cui esse formano un complesso attivato,ovvero uno stato di transizione in cui le molecole dei reagenti sono entrate nelle atmosfere elettroniche le une delle altre;i legami nei reagenti si stanno rompendo e quelli dei prodotti si stanno formando.

Una reazione si dice in equilibrio quando la velocità della reazione(da reagenti a prodotti)è uguale alla velocità della reazione inversa(dai prodotti ai reagenti).Quando questo avviene la concentrazione dei reagenti e dei prodotti resta costante e la reazione non va a compimento poichè parte dei reagenti non reagisce.L'equilibrio viene rappresentato con la doppia freccia;una orientata a destra e indica l'andamento della reazione diretta mentre quella rivolta a sinistra indica quella inversa.

Quando in una reazione in equilibrio reagenti e prodotti sono nella stessa fase l'equilibrio è omogeneo mentre quando sono in fase diversa è eterogeneo.

Per una reazione in equilibrio a temperatura costante,è costante il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti elevate ai loro coefficienti stechiometrici e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti elevate ai loro.Le concentrazioni,espresse in Molarità,soddisfano la relazione:
Ke=C^cD^d/A^aB^b
dove K è la costante di equilibrio che dipende solo dalla temperatura e la sua unità di misura varia a seconda dei coefficienti stechiometrici della reazione.Se K>1 la reazione è spostata verso la formazione dei prodotti;se K Gli acidi propliprotici,ovvero gli acidi con un numero di H+ superiore a 1,hanno una costante associata alla perdita di ogni protone.
Nella legge di reazione di massa le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti sono innalzate ad una potenza pari ai loro coefficienti stechiometrici.

Secondo la teoria delle collisioni,che riguarda le reazioni bimolecolari in fase gassosa o liquida,affinchè una reazione avvenga occorre che possano reagire tra di loro solo le molecole che si urtano l'una con l'altra;queste per reagire devono possedere un alto tasso di energia cinetica per rompere i legami presenti e crearne degli altri;gli urti devono avvenire con un orientamento appropriato.Quindi il fatto che una reazione avvenga dipende dal numero di molecole presenti e dalla concentrazione di entrambe le specie chimiche reagenti;le molecole devono avere un energia cinetica minima e si devono urtare in direzioni opportune.

La termodinamica studia le trasformazioni delle varie forme di energia;essa è la capacità di compiere lavoro e produrre calore.L'unità di misura è J(Joule).
Il sistema è la porzione dell'universo che ci interessa;l'ambiente è la sede delle nostre osservazioni.Le forme di energia che scambia il sistema sono il calore Q e il lavoro W.Per sistema aperto si intende un sistema che può scambiare materia ed energia con l'ambiente;per sistema chiuso un sistema che scambia solo energia;per sistema isolato un sistema che non scambia nulla e per sistema adiabatico un sistema che non scambia calore essendo termicamente isolato.Un sistema è omogeneo se presenta proprietà chimiche costanti in ogni suo punto;eterogeneo se è costituito da più fasi tutte omogenee.Una proprietà di stato è una proprietà fisica di una sostanza che dipende solo dallo stato considerato del sistema e può essere la pressione o il volume.
La legge di conservazione dell'energia dice che l'energia non può essere ne creata ne distrutta.
L'energia può essere cinetica o potenziale:quella cinetica è sviluppata da un corpo in movimento e dipende dalla massa e dalla velocità del corpo(Ec=1/2mv^2);quella potenziale è l'energia che un corpo possiede in virtù della sua posizione e può essere a sua volta gravitazionale(E=mgh)che è tanto maggiore quanto si alza il corpo dal suolo o elettrostatica che è tra due cariche e risulta essere inversamente proporzionale alla loro distanza.

Primo principio della termodinamica

Il calore è una forma di energia importante poiche grazie alla sua somministrazione o perdita avvengono le variazioni di energia interna in un sistema.Il calore si trasferisce per convezione,ossia in virtù di una differenza di temperatura tra l'ambiente esterno e il sistema.La somministrazione di calore determina un aumento del moto degli atomi della sostanza;la perdita una diminuzione.Quando in una trasformazione l'energia è trasferita tra sistema e ambiente esterno solo sotto forma di calore il flusso di calore causa un cambiamento di energia interna e in tal caso il calore scambiato non è altro che la variazione di energia interna e si puo misurare misurando la temperatura.Se essa aumenta il sistema ha assorbito calore,se invece diminuisce l'ha perso. DELTA U=Q
Se in un sistema l'energia può essere assorbita o liberata anche in altre forme la misurazione della temperatura non basta a darci un'idea precisa sulla variazione di energia interna e quindi possiamo esprimerla in funzione del lavoro W e del calore Q fornito al sistema dall'ambiente esterno. DELTA U=W+Q
Il lavoro di espansione è il lavoro effettuato quando il sistema si espande contro una pressione esterna. -W=P DELTAV
Il lavoro di compressione sarà invece DELTA U=-P DELTAV+Q
Solo a pressione costante la variazione di energia interna è data dal calore emesso o assorbito.Tale calore è il calore di reazione che può essere assorbito o ceduto tra sistema e ambiente esterno.

La variazione di entalpia DELTAH di un sistema è il calore scambiato tra il sistema e l'ambiente esterno a pressione costante.Nelle trasformazioni endotermiche(DELTAH>0)l'energia viene assorbita sotto forma di calore e l'entalpia aumenta.Nelle reazioni esotermiche(DELTAH La legge di Hess dice che l'entalpia standard è la somma delle entalpie standard,reagenti e prodotti a condizioni standard,nelle quali possiamo immaginare suddivisa la reazione.
L'entropia è una grandezza che misura il grado di disordine di un sistema;ossia il concetto relativo alla disposizione delle molecole o atomi nello spazio. DELTAS=Sprodotti-Sreagenti
Il grado di disordine di una trasformazione fisica dipende dal moto delle particelle che costituiscono lo stato fisico;l'entropia è minima nel solido ed è massimo nel gas.Il grado di disordine in una reazione chimica dipende dal numero di molecole e dallo stato fisico dei reagenti e prodotti;l'entropia aumenta quando aumenta il numero di molecole e si stanno formando dei gas.
In un processo reversibile l'entropia rimane costante;in uno irreversibile aumenta sempre.

Secondo il criterio della minima energia una reazione è favorita quando le molecole dei prodotti hanno un'energia minore rispetto a quelle dei reagenti.
Secondo il criterio del massimo disordine una trasformazione è favorita quando lo stato finale presenta un disordine maggiore rispetto a quello iniziale.
Una trasformazione spontanea ha luogo senza che sia necessario l´intervento di forze esterne;sono irreversibili.