La cinetica chimica e l'equilibrio chimico

Teoria delle collisioni

In base al modello proposto dalla teoria delle collisioni, una reazione chimica si verifica quando:

1. le particelle di reagenti (atomi, ioni, molecole) si urtano tra di loro; 2. gli urti sono efficaci, cioè hanno luogo tra particelle disposte con una orientazione reciproca favorevole e avvengono tra particelle che possiedono un'energia cinetica sufficiente a vincere le forze repulsive elettrostatiche tra le rispettive nubi elettroniche. In queste condizioni le nubi elettroniche dei reagenti si compenetrano, formando un composto intermedio ad alta energia, detto complesso attivato, nel quale avviene il riarrangiamento degli elettroni di legame tra gli atomi che dà origine alle nuove strutture corrispondenti ai prodotti di reazione.

Le particelle che danno luogo a urti efficaci sono soltanto quelle che posseggono un'energia cinetica uguale o superiore all'energia del complesso attivato: la differenza tra il contenuto energetico dei reagenti e l'energia del complesso attivato è chiamata energia di attivazione (E_a) (v. fig. 12.2).

L'energia di attivazione è una ``barriera energetica'' che i reagenti devono superare per poter reagire tra di loro ed è il fattore da cui dipende essenzialmente la velocità di una reazione chimica: più piccola è l'energia di attivazione, meno energia si deve fornire ai reagenti (per esempio, sotto forma di calore) per formare il complesso attivato, e quindi più rapida è la reazione.

In base alla teoria delle collisioni e alla nozione di energia di attivazione, è possibile interpretare l'effetto dei fattori che influenzano la velocità di reazione, come riassunto nella tabella 12.1, e comprendere il fatto che alcune reazioni avvengono attraverso un meccanismo a stadi.

Tabella 12.1 INTERPRETAZIONE DELL'EFFETTO DEI FATTORI CHE INFLUISCONO SULLA VELOCITÀ DI REAZIONE IN BASE ALLA TEORIA DELLE COLLISIONI
fattori influenti	interpretazione
natura dei reagenti	la velocità di reazione dipende dalla natura dei reagenti in quanto, per ogni trasformazione, varia l'energia necessaria per rompere i legami esistenti tra le particelle coinvolte
temperatura	l'innalzamento della temperatura provoca un aumento della velocità di reazione in quanto, per la più elevata energia cinetica, le particelle si muovono più velocemente e gli urti diventano più numerosi e più efficaci
concentrazione	l'aumento della concentrazione rende più veloci le reazioni in quanto, aumentando le particelle nell'unità di volume, gli urti diventano più numerosi
stato di suddivisione	la velocità di reazione cresce con l'aumento dello stato di suddivisione e quindi della superficie di contatto tra i reagenti in quanto, diventa maggiore il numero di particelle che possono urtarsi
catalizzatore	il catalizzatore rende più veloce la reazione perché abbassa l'energia di attivazione di una reazione

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Figura 12.2 DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DELL'ENERGIA POTENZIALE
Per una generica reazione esotermica A+B → C+D, la differenza tra l'energia del complesso attivato A+B e quello dei reagenti iniziati A+B rappresenta l'energia di attivazione.