Reazione chimica
Una reazione chimica è una trasformazione di materia che avviene senza variazioni misurabili di massa.
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Premesse e definizioni della reazione chimica
La materia è composta da atomi raggruppati in composti chimici (molecole o composti ionici) che, durante la reazione, si scambiano tra loro alcuni atomi rompendo e formando nuovi legami, cambiando la natura dei composti stessi.
Le reazioni chimiche provocano un cambiamento di natura della materia, non riguardano quindi le trasformazioni puramente fisiche, come i cambiamenti di stato (fusione, solidificazione, evaporazione, ebollizione...), l'usura e l'erosione, la frattura, etc..
Allo stesso modo, non fanno parte delle reazioni chimiche le trasformazioni dei nuclei atomici, cioé le reazioni nucleari.
Le reazioni chimiche, dunque, riguardano eclusivamente le variazioni dei legami tra gli atomi (legame covalente, legame ionico, legame metallico).
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 può sviluppare calore, in tal caso è detta esotermica, o assorbire calore, ed essere quindi endotermica.
Una reazione non può avere luogo se non è soddisfatta una serie di condizioni come: presenza dei reagenti, condizioni di temperatura, pressione e luce sufficienti. 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 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 ricombianano, 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.
frame|left|Fig. 1 Andamento dell'entalpia di reazione tra due molecole di perossido idrogeno per formare acqua e ossigeno.
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 conivolti 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'allumio 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: dα/dt.
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.
Reazioni e stati della materia
Un altro parametro importante è lo stato della materia. Da questo punto di vista le reazioni maggiormente favorite sono quelle in fase gassosa o tra liquidi miscibili, 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 superfice esposta per unità di massa; una polvere o un solido poroso hanno elevati valori di superficie specifica.