Scarica EQUILIBRIO CHIMICO E ACIDI E BASI e più Dispense in PDF di Chimica solo su Docsity!
VELOCITÀ ED EQUILIBRIO DELLE REAZIONI
La cinetica è il settore della chimica che studia la velocità con cui una reazione avviene e io meccanismo con il quale i reagenti si trasformano, nel tempo, in prodotti. (Sperimentalmente) velocità di reazione = 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑖 𝑠𝑜𝑠𝑡𝑎𝑛𝑧𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑎 (𝑚𝑜𝑙 𝑥 𝐿− 1 ) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑠𝑜 (𝑠)
COME INFLUENZARE LA VELOCITÀ DI REAZIONE
La velocità di una reazione dipende da:
- Natura dei reagenti;
- Superficie di contatto;
- Concentrazione dei reagenti;
- Temperatura di reazione;
- Presenza di catalizzatori. 1 ) La velocità di una reazione dipende dalla natura dei reagenti ovvero dalla forza dei legami interni delle loro molecole. Dunque in una stessa sostanza ha tempi di reazione diversi a seconda della sostanza con cui reagisce. 2 ) Gli ioni in soluzione acquosa hanno velocità più elevate. Per questo la velocità di una reazione dipende dall'estensione della superficie di contatto. La velocità di reazione aumenta quando i reagenti si presentano in modo da rendere massima la loro superficie di contatto. 3 ) La velocità aumenta anche all'aumentare della concentrazione dei reagenti perché con l'aumento di particelle aumenta la probabilità che si incontrino. L'espressione matematica della velocità di una reazione in funzione delle concentrazioni si dice Legge Cinetica della reazione. V = k x (A)m^ x (B)n^ in cui A e B sono concentrazioni molari dei reagenti e m ed n sono esponenti determinati sperimentalmente. La costante k varia al variare della temperatura e dei coefficienti e la somma di questi ultimi è il suo ordine di grandezza. 4 ) La temperatura influisce sempre sulla velocità di una reazione, indipendentemente dal fatto che essa sia esotermica o endotermica. La velocità di reazione aumenta all'aumentare della temperatura.
- La velocità di reazione può essere accelerata o aumentata mediante l'aggiunta di opportune sostanze dette Catalizzatori o enzimi. Ciò si deve alla presenza della catalasi, sostanza presente nel sangue, che accelera la reazione di decomposizione dell'acqua ossigenata in acqua e ossigeno.
TEORIA DELLE COLLISIONI
Secondo la teoria delle collisioni , la velocità di reazione è legata alla frequenza degli urti fra le molecole dei reagenti, alla geometria di tali urti e all'energia cinetica delle molecole. Le molecole dei reagenti non devono quindi solo venire a contatto in quanto se fosse sufficiente questo, avremmo tutte reazioni istantanee. La velocità di reazione è infatti determinata:
- Dalla frequenza degli urti (+ frequenza + probabilità);
- Dalla geometria dell’urto.
- Dall’energia cinetica che le particelle posseggono. In poche parole, la velocità di reazione, dipende dal numero di particelle opportunamente orientate in possesso di una certa energia minima, detta energia di attivazione (Ea). L’energia di attivazione (Ea) corrisponde all’energia necessaria a rompere i legami tra gli atomi dei reagenti, in modo da consentire la loro ridistribuzione nelle molecole dei prodotti.
IL RUOLO DEI CATALIZZATORI
Il catalizzatore abbassa l’energia di attivazione di una reazione e determina così un aumento della sua velocità. Esso modifica il meccanismo di una reazione legandosi momentaneamente ad uno dei reagenti, di cui indebolisce legami e struttura, mettendolo nelle condizioni di reagire più velocemente.
L’EQUILIBRIO CHIMICO
In molte reazioni non avviene una completa conversione dei reagenti in prodotti. In questi casi si parla di reazioni reversibili. Esse si indicano con una doppia freccia, (reagenti ⇄ prodotti) in quanto può essere considerata composta da due reazioni, una diretta e una inversa. Nella reazione diretta, si ha una velocità di reazione massima che poi diminuirà nel tempo con la diminuzione di concentrazione dei reagenti. Vdir = kdir x (H 2 ) x (I 2 ) Viceversa per la reazione inversa. Vinv = kinv x (HI)^2 Dopo un certo tempo, le due velocità si eguagliano (i reagenti di trasformano in prodotti nello stesso tempo in cui i prodotti si trasformano in reagenti). Il sistema si dice in equilibrio chimico quando:
- La velocità di reazione diretta è uguale a quella della reazione inversa;
- Le concentrazioni di reagenti e prodotti sono costanti. L’equilibrio chimico è di natura dinamica in quanto è il risultato di due processi opposti che avanzano a uguale velocità.
UN EQUILIBRIO COSTANTE
In una condizione di equilibrio, sappiamo che Vdir = Vinv, quindi kdir (H 2 )eq x (I 2 )eq = kinv x (HI)^2 eq. Raccogliendo di ottiene: k dir 𝑘 𝑖𝑛𝑣
(𝐻𝐼) 2 (𝐻 2 )𝑥 (𝐼 2 ) Il rapporto k dir 𝑘 𝑖𝑛𝑣 tra le due costanti cinetiche viene indicato con Ke ed è detto costante di equilibrio. La legge dell’equilibrio chimico, o legge dell’azione di massa, afferma che: in un sistema chimico all’equilibrio, il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni molari dei prodotti e il prodotto delle concentrazioni molari dei reagenti, elevate ciascuna al proprio coefficiente stechiometrico di reazione, è costante, a temperatura costante. Es. aA + bB ⇄ cC + dD con a b c d coefficienti stechiometri, la costante di equilibrio è: Ke = (C)c^ x (D)d^ / (A)a^ x (B)b
ACIDI E BASI
ACIDI E BASI: LE PRIME OSSERVAZIONI
Acidi e basi sono tra le sostanze più comuni presenti in natura e sono normalmente presenti nelle nostre case. Nel 1675 Boyle descrisse gli acidi come le sostanze che: hanno sapore aspro; reagiscono con i metalli liberando idrogeno; danno reazione di neutralizzazione con le basi; colorano di rosso la cartina tornasole. Le basi invece: sono amare; danno reazione di neutralizzazione con gli acidi; colorano di blu la cartina tornasole.
ARRHENIUS: LA CONDUCIBILTA’ ELETTRICA DELLE SOLUZIONI
Fu Arrhenius a dare una prima spiegazione al comportamento acido e basico di alcune sostanze. Egli osservò che gli acidi e le basi in soluzione conducevano la corrente elettrica, perché davano luogo alla formazione di ioni. Egli giunse alla conclusione che: un acido è una sostanza che, in soluzione acquosa, libera ioni H+, mentre una base è una sostanza che, in soluzione acquosa, libera ioni OH-. Questo comportamento da parte degli acidi e delle basi, spiegava secondo Arrhenius, le loro caratteristiche principali. Secondo la sua teoria, Quando un acido in acqua si ionizza, lo ione H+ si lega tramite un legame dativo ( legame covalente dativo si stabilisce quando la coppia di elettroni di legame proviene da uno solo dei due atomi (atomo donatore) e viene ``ospitata'' dall'altro atomo (atomo accettore)) all’atomo di ossigeno di una molecola di acqua. Si forma così il catione H3O+, chiamato ione ossonio o ione idronio. Un acido secondo Arrhenius è una sostanza che incrementa la concentrazione di ioni H 3 O+^ in acqua; una base secondo Arrhenius è una sostanza che incrementa la concentrazione di ioni OH–^ in acqua. Il limite della teoria di Arrhenius risiede nel fatto che è applicabile solo alle soluzioni acquose.
BRONSTED E LOWRY: SCAMBIO DI PROTONI
La teoria di Brönsted e Lowry amplia la classificazione degli acidi e delle basi, poiché non è indispensabile la presenza di acqua. Secondo la teoria di Brönsted e Lowry, un acido è una qualsiasi molecola o ione in grado di donare protoni. Una base è una qualsiasi molecola o ione che può di accettare un protone. Lo ione H+ è l’atomo di idrogeno privano del suo unico elettrone, per cui sostanzialmente H+ rappresenta il nucleo dell’atomo di idrogeno, per questo viene chiamato protone. Poiché i protoni non possono rimanere isolati, la teoria implica la presenza contemporanea di un acido (sostanza che perde protoni) e di una base (sostanza che li accetta). Si determinano così coppie coniugate, formate da un acido e da una base. Si può affermare quindi che: un acido, perdendo un protone, si trasforma nella sua base coniugata; analogamente una base che acquista un protone si trasforma nel proprio acido coniugato. Sono anfiprotiche le sostanze che, come l’acqua, possono sia accettare che donare protoni.
LEWIS: LA DONAZIONE DI COPPIE DI ELETTRONI
Secondo Lewis, un acido è una specie (molecola o ione) che può accettare una coppia di elettroni. Una base è una specie (molecola o ione) capace di donare una coppia di elettroni liberi da legami. In poche parole, a differenza di Brönsted e Lowry che avevano preso in considerazione una scambio di protoni, Lewis si basò sul trasferimento di coppie di elettroni. Le definizione di base ripropone lo stesso concetto: le sostanze che accettano protoni hanno una coppia elettronica disponibile (acqua e ammoniaca si comportano da basi). Gli acidi di Lewis, oltre lo ione H+ contano anche i cationi in grado di formare legami dativi.
L’AUTOPROLISI DELL’ACQUA: ACIDO E BASE CONTEMPORANEAMENTE
Abbiamo visto che l’acqua è un composto anfiprotico, in grado di cede o acquistare protoni a seconda della sotanza con cui reagisce. Queste due possibilità si possono verificare contemporaneamente dando luogo ad un equilibrio di autoprotolisi. L’equilibrio è definito dalla costante Ke = (𝐻 3 𝑂+)(𝑂𝐻−) (𝐻 2 𝑂)^2 il cui valore sperimentale è 3,2 x 10-^18. Moltiplicando la costante Ke e (𝐻 2 𝑂)^2 si ottiene una nuova costante Kw che è detta prodotto ionico dell’acqua. Il suo valore dipende dalla temperatura, che a 25°C 1,0·10–^14. Nell’acqua la concentrazione dello ione ossonio è uguale a quella dello ione idrossido ed è 1,0·10–7 M. •Se [H 3 O+] > 10–^7 M l’ambiente è acido; •Se [H 3 O+] = 10–^7 M l’ambiente è neutro;
- Se [H 3 O+] < 10–^7 M l’ambiente è basico.
UN MODO PRATICO PER ESPRIMERE L’ACIDITA’: IL pH
L’acidità e la basicità delle soluzioni è espressa tramite la concentrazione molare degli ioni H3O+ e degli ioni OH–, calcolata su scala logaritmica. Il pH misura il grado di acidità di una sostanza e si definisce come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare degli ioni H 3 O+. Ovvero: pH = – log[H 3 O+]. Il pOH di una soluzione è il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione dello ione idrossido, cioè pOH= – log10 [OH–]. Poiché il prodotto ionico dell’acqua Kw è costante in tutte le soluzioni, ed è uguale a 1,0·10– 14, per tutte le soluzioni i valori di pH e pOH devono essere tali che la loro somma sia uguale a 14: pH + pOH = pKw = 14. Una soluzione è acida se il pH è minore di , neutra se il pH è uguale a , basica se il pH è maggiore di 7. Il pH aumenta quando la concentrazione degli ioni ossonio diminuisce; il prodotto [H3O+]·[OH–] è sempre 1,0·10– 14; pH + pOH = pKw = 14;al variare di una unità di pH, le concentrazioni di ioni ossonio e di ioni idrossido variano di 10 volte.
