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CORSO DI CHIMICA

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CORSO DI CHIMICA
Lezione del 13 Maggio 2014
C.I. Chimica/Tecnologia dei
Materiali
Consideriamo la reazione:
N2 + 3 H2 ⇔ 2 NH3
Si tratta di una reazione semplice ma di
fondamentale importanza industriale e
storica in quanto punto di partenza per la
produzione di ammoniaca (NH3) sostanza di
fondamentale importanza l’industria della
plastica, dei fertilizzanti e degli esplosivi.
N2 + 3 H2 ⇔ 2 NH3
Caratteristiche della reazione:
1) Reazione esotermica
2) Buona costante di equilibrio
3) Velocità a temperatura ambiente molto
bassa
N2 + 3 H2 ⇔ 2 NH3
L’analisi delle caratteristiche di questa
reazione mette in evidenza un problema:
- Facendo svolgere la reazione a temperatura
ambiente si ha una buona produzione di NH3
ma in tempi molto lunghi
- Alzando la temperatura, si ottengono minori
quantità di NH3 (∆Ho < 0), ma in tempi più
brevi.
Questo problema (resa/velocità) è molto comune
quando si tratta di utilizzare industrialmente
delle reazioni chimiche.
Il conto economico deve prendere in
considerazione i costi legati alla gestione di un
impianto che lavora ad alta temperatura ma ha
una elevata produzione giornaliera rispetto ad
un impianto meno costoso nella gestione ma
meno produttivo.
Talvolta si può intervenire sulla pressione per
aumentare la resa ma in molti casi un tale
intervento non è efficace.
Si deve, in pratica, aumentare la velocità ma
senza aumentare troppo la temperatura.
Torniamo all’osservazione che la velocità è
tanto più bassa quanto l’energia di attivazione
della reazione Ea è elevata (k = A e-Ea/RT).
Sappiamo che Ea è una grandezza intrinseca al
meccanismo di reazione e quindi non
modificabile a meno di non cambiare
completamente reazione, cosa ovviamente non
ipotizzabile nella maggioranza dei casi.
Nei primi decenni del XIX secolo il chimico
svedese J. J. Berzelius osservò che certe
reazioni chimiche venivano profondamente
influenzate dalla presenza di sostanze che
ritrovava inalterate alla fine della reazione.
Definì queste sostanze col nome di:
CATALIZZATORI
Catalizzatori
Un catalizzatore è una sostanza capace di
modificare la velocità di una reazione
chimica senza partecipare in apparenza
direttamente alla reazione chimica:
1) Al termine della reazione si ritrova nella
stessa forma iniziale
2) Non è stechiometricamente coinvolta nel
processo
Un catalizzatore accelera il raggiungimento
dello stato di equilibrio. Ma un catalizzatore
non ne influenza le caratteristiche.
L’equilibrio viene raggiunto più
rapidamente ma la conversione dei reagenti
in prodotti non viene quantitativamente
influenzata se confrontata con quella della
reazione non catalizzata alla stessa
temperatura.
Un catalizzatore accelera le reazioni chimiche
non perché ne modifichi l’energia di attivazione
(cosa impossibile) ma offrendo alla reazione un
meccanismo differente con energia
di attivazione più bassa.
CARATTERISTICHE CHIMICHE
DELL’AMBIENTE ACQUOSO
In ambiente acquoso è sempre presente il seguente
equilibrio:
H2O + H2O 
H3O+ + OH-
Se scriviamo la costante di equilibrio:
Keq = [H3O+][OH-]
A 25° C, Keq = 10-14
CARATTERISTICHE CHIMICHE
DELL’AMBIENTE ACQUOSO
Se Keq = [H3O+][OH-] = 10-14 , in acqua si ha:
[H3O+] = [OH-] = 10-7
Si nota inoltre che le due concentrazioni sono
inversamente proporzionali: se aumenta
l’una l’altra deve diminuire in modo tale da
garantire l’eguaglianza a 10-14 del prodotto
delle loro concentrazioni.
Vi sono numerosissime molecole che
sciogliendosi in acqua sono capaci di
influenzare questo equilibrio. Ad esempio:
CO2 + 2 H2O  HCO3- + H3O+
Nel corso della reazione si generano ioni H3O+
che vanno a sommarsi a quelli già presenti in
base all’equilibrio descritto prima per cui in
una soluzione acquosa di CO2 si avrà:
[H3O+] > 10-7
[OH-] < 10-7
[H3O+] > 10-7
[OH-] < 10-7
Una soluzione con queste caratteristiche si
chiama acida e le sostanze capaci di produrre
soluzioni con tali caratteristiche si chiamano
acidi. Tra gli acidi più comuni vi sono:
Acido Cloridrico HCl
Acido Nitrico
HNO3
Acido Solforico
H2SO4
Acido Acetico
CH3COOH
Vi sono altre molecole che sciogliendosi in
acqua danno luogo ad una differente reazione.
Ad esempio:
NH3 + H2O  NH4+ + OHNel corso della reazione si generano ioni OHche vanno a sommarsi a quelli già presenti in
base all’equilibrio descritto prima per cui in
una soluzione acquosa di NH3 si avrà:
[H3O+] < 10-7
[OH-] > 10-7
[H3O+] < 10-7
[OH-] > 10-7
Una soluzione con queste caratteristiche si
chiama basica e le sostanze capaci di produrre
soluzioni con tali caratteristiche si chiamano
basi.
Tra le basi più comuni vi sono:
Soda Caustica
NaOH
Calce viva
CaO
Soda Solvay
Na2CO3
IL pH DELLE SOLUZIONI ACQUOSE
L’acidità e la basicità di una soluzione è
espressa in termini di pH = -log[H3O+]
Come abbiamo visto una qualunque soluzione
acquosa contiene H3O+ ed OH- ed il
prodotto delle loro concentrazioni molari è
sempre uguale a: [H3O+]⋅[OH-] = 10-14
In acqua che non contenga acidi o basi in
soluzione si ha [H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/L.
Il pH di una soluzione neutra è 7.
IL pH DELLE SOLUZIONI ACQUOSE
Abbiamo visto come la presenza di un acido in
acqua provochi un aumento della [H3O+].
Di conseguenza: [H3O+] > 10-7
pH < 7
Abbiamo anche osservato come la presenza di una
base in acqua provochi un aumento della [OH-].
Di conseguenza: [H3O+] < 10-7
pH > 7
IL pH DELLE SOLUZIONI ACQUOSE
Le soluzioni acide sono quelle con pH
compreso fra 0 e 7. Le soluzioni basiche
sono quelle con pH compreso fra 7 e 14.
Una soluzione neutra ha pH = 7
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