Energia, velocità di reazione - reagente limitante, reagente in eccesso e resa di reazione

Reazioni esotermiche e reazioni endotermiche
Le trasformazioni fisiche e chimiche sono spesso accompagnate da produzione o da assorbimento di calore.
Le reazioni che avvengono con produzione di calore, cioè trasferiscono energia dal sistema all'ambiente, si chiamano reazioni esotermiche.
Si dicono reazioni endotermiche le reazioni che avvengono assorbendo calore dall'ambiente.

Tendenza alla formazione di legami forti
L'energia liberata nelle reazioni esotermiche è dovuta proprio alla formazione di legami chimici più forti di quelli dei reagenti. I prodotti saranno più stabili dei reagenti, cioè più in basso nella scala di reattività chimica.

Il livello di energia potenziale delle sostanze si chiama entalpia ed è indicata con il simbolo H.

Dunque, nelle reazioni esotermiche, l'entalpia diminuisce, mentre in quelle endotermiche l'entalpia aumenta.

Tendenza al disordine
L'entropia (S) è la grandezza fisica che misura il disordine di un sistema.

L'entropia, sempre positiva, è maggiore quando il moto termico è più alto e quando il movimento avviene con maggiore libertà. Per ogni sostanza, lo stato liquido ha più alta entropia dello stato solido, e lo stato gassoso ha un'entropia ancor più alta di quello liquido.
A causa della tendenza naturale al disordine molecolare, l'acqua esisterebbe solo gassoso, se non ci fossero i legami a idrogeno che uniscono le molecole le une alle altre.

L'energia libera
L'energia libera tiene conto contemporaneamente della tendenza degli atomi a formare legami più forti e ad acquistare maggior libertà.

L'energia libera (G) si ottiene semplicemente sottraendo dall'entalpia l'entropia moltiplicata per la temperatura assoluta:
G = H - TS
L'energia libera diminuisce sempre nelle trasformazioni spontanee che avvengono in un sistema chiuso a pressione e temperatura costanti, fino a raggiungere un valore minimo all'equilibrio chimico.

Energia di attivazione e stato di transizione
L'energia di attivazione è l'energia minima che occorre per iniziare una reazione, rompendo alcuni dei legami dei reagenti.

Lo stato di transizione è una fase intermedia della reazione, in cui i legami tra i reagenti si stanno rompendo e si stanno formando quelli tra i prodotti.

A livello molecolare, allo stato di transizione corrisponde la formazione di un composto intermedio, chiamato complesso attivato, che ha un contenuto energetico superiore sia a quello dei reagenti sia a quello dei prodotti.
L'energia di attivazione E_a è la differenza tra l'energia del complesso attivato e quella dei reagenti. Una volta superato lo stato di transizione, l'energia scende nuovamente fino a livello dei prodotti. Il dislivello energico tra i reagenti e i prodotti corrisponde alla variazione di entalpia ∆H:

• Nelle reazioni esotermiche il valore di ∆H è negativo;
• Nelle reazioni endotermiche, invece, i prodotti ha un'energia maggiore dei reagenti è il valore di ∆H sarà positivo.

I catalizzatori

La funzione dei catalizzatori è accelerare una reazione chimica riducendo l'energia di attivazione, senza consumarsi durante la trasformazione.

Esistono catalizzatori omogenei, che operano nella stessa fase dei reagenti e dei prodotti, e catalizzatori eterogenei, che operano in una fase diversa da quella dei reagenti e dei prodotti.

Una classe importante di catalizzatori è costituita dagli enzimi, catalizzatori biologici di natura proteica presenti nelle cellule e nel sangue. 

Gli enzimi hanno la funzione di rendere veloci le reazioni biochimiche a temperatura compatibile con la vita; in assenza di catalizzatori, infatti, queste reazioni sarebbero molto lente, o richiederebbero temperature troppo elevate.

Fattori che influenzano la velocità di reazione 

1. La natura dei reagenti: la velocità di reazione dipende dalla natura delle sostanze reagenti.
2. La concentrazione: in un determinato volume ci sono più atomi, molecole o ioni, il numero di urti per unità di tempo aumenta e quindi è più alta la probabilità che vi sia reazione.
3. La temperatura: l'aumento di temperatura corrisponde a urti più frequenti e più violenti. In altre parole, aumenta la percentuale di molecole attive, dotate di energia sufficiente a superare la barriera energetica.
4. La superficie di contatto: nei solidi, le molecole e gli atomi che si trovano in superficie sono esposti all'ambiente di reazione. Quanto più fini sono le particelle solide, tanto maggiore è la superficie esposta è più rapida è la reazione.

Reagente limitante e reagente in eccesso

Il reagente limitante è il reagente che si esaurisce per primo durante una reazione chimica e che limita  la quantità di prodotto da essa ottenibile.

Se il numero di moli dei reagenti da trasformare non rispetta il rapporto di reazione, si ha un reagente in difetto, la cui quantità limita la quantità di prodotto che si forma nella reazione.

Resa di reazione 

La maggior parte delle reazioni chimiche, tuttavia, non procede fino all'esaurimento di tutti i reagenti poiché esse,  un certo punto, sembrano arrestarsi.

Altre volte, invece, i reagenti possono subire contemporaneamente trasformazioni diverse.

In entrambi i casi si ottiene una quantità di prodotto inferiore a quella prevista teoricamente. Diciamo,  allora, che la resa effettiva della trasformazione è inferiore alla resa teorica.

La resa teorica di un prodotto è la quantità massima di quel prodotto che può essere ottenuta da una certa massa di reagente in base alla stechiometria della reazione.

Conoscendo la resa teorica e quella effettiva, possiamo calcolare la resa percentuale.

La resa percentuale di un prodotto è il rapporto, espresso in forma percentuale, tra la quantità di prodotto effettivamente ottenuta (resa effettiva) e quella massima ottenibile (resa teorica).