Reazione chimica

Una reazione chimica è una trasformazione della materia durante la quale le specie chimiche che compongono la materia vengono modificate. Le specie che vengono consumate sono chiamate reagenti ; le specie formate durante la reazione sono chiamate prodotti . Sin dal lavoro di Lavoisier (1777), gli scienziati sanno che la reazione chimica avviene senza variazioni misurabili di massa : "Niente si perde, nulla si crea, tutto si trasforma" , che riflette la conservazione della massa .

Le reazioni chimiche provocano un cambiamento nella natura chimica della materia. Sono quindi escluse trasformazioni puramente fisiche come cambiamenti di stato ( fusione , solidificazione , evaporazione , ebollizione , ecc. ), Usura, erosione e rottura. Una reazione può rilasciare energia (generalmente sotto forma di calore , ma anche luce ), è quindi una reazione esotermica . Può richiedere un apporto di energia, sotto forma di calore (quindi “produrre freddo”) o di luce, è quindi una reazione endotermica . In generale, una reazione può avvenire solo se sono soddisfatte determinate condizioni (presenza di tutti i reagenti, temperatura, pressione, condizioni di luce). Alcune reazioni richiedono o sono facilitate dalla presenza di una sostanza chimica , chiamata catalizzatore , che non viene consumata dalla reazione. Classicamente, le reazioni chimiche comportano cambiamenti che riguardano il movimento degli elettroni , la formazione e la rottura dei legami chimici. Tuttavia, il concetto generale di una reazione chimica, in particolare la nozione di equazione chimica, è applicabile anche alle trasformazioni elementari di particelle e reazioni nucleari. Nella chimica organica, varie reazioni chimiche vengono combinate nella sintesi chimica per ottenere il prodotto desiderato. In biochimica, una serie di reazioni chimiche catalizzate da enzimi formano vie metaboliche, attraverso le quali in una cellula vengono effettuate sintesi e rotture solitamente impossibili.

Visione microscopica (a livello atomico)

La materia è costituita da atomi raggruppati in composti chimici , durante una reazione chimica i composti si scambiano i loro atomi; così facendo, la natura dei composti cambia. Le reazioni chimiche riguardano solo le modifiche dei legami tra gli atomi ( legami covalenti , legami ionici , legami metallici ).

Per rappresentare i fenomeni che avvengono durante una reazione chimica, scriviamo un'equazione chimica .

Reazione chimica ed energia

Le trasformazioni che avvengono durante la reazione chimica determinano generalmente una diminuzione dell'energia totale. Infatti, in una molecola o in un cristallo , l '“aggancio” degli atomi tra di loro richiede energia, chiamata energia di legame . Quando rompi un legame, "rompi" la molecola o il cristallo "disperdendo" i suoi atomi. È quindi necessario fornire energia. Quando gli atomi si ricombinano, rilasciano energia formando nuovi legami. Alla fine della reazione, l'energia immagazzinata nei legami dei prodotti di reazione è inferiore a quella immagazzinata nei legami dei reagenti.

Durante la reazione, c'è una fase in cui i vecchi legami si rompono e quelli nuovi non vengono ancora creati. È uno stato in cui l'energia del sistema è elevata, uno stato transitorio che costituisce una vera barriera alla reazione. L'inizio della reazione consiste semplicemente nell'attraversare questa barriera energetica, chiamata energia di attivazione .

Se consideriamo una reazione condotta alla temperatura T ea pressione costante, che è il lotto di reazioni svolte all'aperto a pressione atmosferica, l'energia del sistema di reazione è misurata dalla funzione entalpica H La differenza di entalpia associata con l'equazione di reazione, chiamata entalpia di reazione , è possibile determinare la variazione di energia del sistema dopo la reazione. È più spesso espresso dal trasferimento termico con l'ambiente esterno. $\ Delta_ \ mathrm {r} \ mathrm {H}$

Lo studio dell'aspetto energetico delle reazioni chimiche è la termochimica .

Lo stato di un impianto chimico è caratterizzato da:

le grandezze fisiche temperatura e pressione;
le specie chimiche che lo costituiscono, nonché il loro stato fisico (solido (i), liquido (l), gas (g), disciolto (aq)) e la loro quantità di materia.

Velocità di reazione

Lo studio dell'energia del sistema ( termochimica ) permette di sapere se può avvenire o meno una reazione, quale energia iniziale è necessario fornire per attraversare la barriera. Ma c'è un altro parametro importante: la velocità di reazione .

La velocità di reazione è la misura della modifica nel tempo delle concentrazioni e / e delle pressioni delle sostanze coinvolte in questa reazione. L'analisi delle velocità di reazione è importante per molte applicazioni come l'ingegneria chimica o lo studio degli equilibri chimici .

La velocità di reazione dipende da:

la concentrazione dei reagenti : una concentrazione maggiore aumenta la possibilità di collisione tra le molecole e quindi aumenta la velocità di reazione;
la superficie disponibile per il contatto tra le molecole, soprattutto del solido in sistemi eterogenei. Una superficie maggiore produce una maggiore velocità di reazione;
la pressione , che aumentando, diminuisce il volume e quindi la distanza tra le molecole. Ciò aumenta la frequenza delle collisioni di molecole;
l' energia di attivazione che è definita come la quantità di energia necessaria affinché la reazione inizi e venga sostenuta spontaneamente;
la temperatura che aumentando attiva la reazione aumentando l'energia delle molecole e creando più collisioni per unità di tempo;
l'assenza o la presenza di un catalizzatore che modifica il meccanismo di reazione che a sua volta aumenta la velocità di reazione abbassando l'energia di attivazione richiesta. Un catalizzatore non viene distrutto durante la reazione;
per alcune reazioni è necessaria la presenza di radiazioni elettromagnetiche , soprattutto ultraviolette , per rompere i legami e avviare la reazione.

Notare che alcune reazioni non dipendono dalla concentrazione dei reagenti.

Reazione chimica in laboratorio

In un laboratorio, lo svolgimento di una reazione chimica comporta:

Preparare la reazione e calcolare le quantità;
Eseguire la reazione alla temperatura desiderata;
Se necessario, neutralizzare il mezzo di reazione ;
Tratta la reazione grezza ;
Purificare la miscela per ottenere, se possibile, il composto desiderato.

Esempi

Alcune delle reazioni chimiche più comuni includono:

la respirazione , la fermentazione lattica e la fermentazione alcolica che consentono alle organizzazioni di produrre l' energia ;
la secrezione di prodotti da parte degli organi (lacrime, sudore, saliva, succhi gastrici, ormoni , ecc. ), l'azione di queste secrezioni;
la combustione (inter alia nei motori a combustione e nelle caldaie), l' incendio ;
cucinare cibo, ustioni;
la corrosione del materiale (es. ruggine);
la fotosintesi clorofilliana che permette alle piante di rigenerare l' ossigeno dell'aria recuperando l' anidride carbonica ;
la dissoluzione dei metalli da parte di un acido;
la rivelazione delle fotografie d'argento ;
la produzione di elettricità mediante batterie, lo stoccaggio e il rilascio di elettricità mediante batterie e accumulatori;
la produzione di metalli dai minerali ( metallurgia );
la produzione di benzina, oli e materie plastiche dal petrolio ;
la fabbricazione di prodotti per la pulizia: sapone (reazione di saponificazione), candeggina , acido cloridrico , soda caustica , ammoniaca ;
la fabbricazione di fertilizzanti , pesticidi , prodotti fitosanitari ;
la produzione di farmaci ;
vinificazione, lavorazione dell'alcol → acido etanoico (aceto);
l'etilometro “diventa verde”;
inquinamento da ozono da inquinanti atmosferici;
distruzione dell'ozono da parte dei clorofluorocarburi (CFC) (refrigeranti, ecc.).

Classificazione

Esiste un'ampia varietà di reazioni chimiche, ma possiamo identificare "famiglie" di reazioni. Alcune delle famiglie principali sono presentate di seguito, ma questo elenco non è esaustivo e una reazione chimica può appartenere contemporaneamente a più di queste famiglie.

reazione acido-base , che comporta un trasferimento del protone H + da un acido (che cede H + ) a una base (che cattura H + )

NH 4 + (aq) + HO - (aq) → NH 3 (g) + H 2 O (l)

reazione di ossidoriduzione , durante la quale si osserva il trasferimento di uno o più elettroni da un agente riducente a un ossidante:

Fe (s) + Cu 2+ (aq) → Fe 2+ (aq) + Cu (s)

combustione , un caso particolare di una reazione di riduzione dell'ossidazione durante la quale un combustibile reagisce con un ossidante (generalmente diossigeno ) con un significativo rilascio di calore ( reazione fortemente esotermica ).

CH 4 + 2 O 2→ CO 2+ 2 H 2 O ( combustione completa del metano )
H 2 + F 2 → 2HF (combustione esplosiva di diidrogeno in difluoruro )

reazione organica che coinvolge composti organici ( molecola avente almeno un atomo di carbonio (C) legato a un atomo di idrogeno (H)); le reazioni organiche possono essere classificate per meccanismo (reazione di addizione , sostituzione , eliminazione , redox , riarrangiamento, ecc.) o per gruppo funzionale (reazioni di alcoli , acidi carbossilici , chetoni, ecc.)
sintesi totale di un composto chimico da corpi semplici :

N 2 + 3 H 2 → 2 NH 3

decomposizione chimica in cui un composto è suddiviso in specie più semplici; le decomposizioni possono essere classificate in base alla natura del fenomeno che le provoca: elettrolisi , termolisi , pirolisi , radiolisi ...

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

isomerizzazione , in cui un composto chimico subisce un cambiamento strutturale senza modificare la sua formula molecolare

	$\ rightleftharpoons$
Glc-6-P		Fru-6-P
Isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato

reazione radicalica, in cui almeno uno degli intermedi di reazione è un radicale .