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Nello studio della termodinamica chimica abbiamo visto in che modo è possibile prevedere se una reazione può avvenire spontaneamente oppure no. La cinetica chimica ci permette di valutare la velocità alla quale procede una reazione spontanea, oltre a considerare quali sono i fattori che influiscono sulla velocità stessa.

In fisica sappiamo che la velocità è una misura dello spazio percorso nell’unità di tempo: in chimica invece si misura la concentrazione di reagente consumato o di prodotto formato nell’unità di tempo.

Per cominciare facciamo un piccolo esperimento, che vi aiuterà a capire come si affronta lo studio della cinetica.

A volte in laboratorio per misurare la velocità di una reazione risulta più comodo, invece di considerare la variazione della concentrazione, misurare la variazione della massa (o delle moli) di un reagente o di un prodotto. Per esempio, nel caso della reazione tra carbonato di calcio ed acido cloridrico, fatta avvenire in un recipiente aperto:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

possiamo misurare la massa di CO2 prodotta, che corrisponde alla diminuzione della massa del sistema, in quanto la CO2 prodotta si disperde nell’ambiente.

Prima di tutto si pesa una certa quantità di marmo (costituito da carbonato di calcio) su di un vetrino d’orologio, che si posizionerà sopra un becher in cui avremo precedentemente versato 50 mL di HCl circa 6 M. Il nostro sistema di riferimento è costituito dal marmo, dall’acido e dal becher.

Il sistema utilizzato per la determinazione della velocità di reazione

Poi si mettono in contatto i due reagenti: si osserverà una vivace reazione, con sviluppo di gas (CO2). Nello stesso momento si fa partire il cronometro.

La reazione tra HCl e carbonato di calcio

Le letture della massa del sistema vanno effettuate ogni 10 secondi. Possiamo ora raccogliere i dati in una tabella:

tempo

massa

(secondi)

(grammi)

10

0,18

20

0,30

30

0,37

40

0,44

50

0,48

60

0,52

I dati della seconda colonna sono stati ricavati facendo la differenza tra la massa iniziale del sistema e la massa finale (differenza che di fatto rappresenta l’anidride carbonica che si è prodotta nell’intervallo di tempo considerato, cioè 10 secondi).

Trasformiamo la massa di CO2 in millimoli e costruiamo un grafico che mostri l’incremento della quantità di CO2 prodotta rispetto al tempo.

quantità di CO2

tempo

millimoli

(secondi)

4,09

10

6,82

20

8,41

30

10,00

40

10,91

50

11,82

60

Grafico CO2 formata/tempo

Occorre ricordare che il valore calcolato in questo modo esprime una velocità media, relativa cioè a tutto l’intervallo di tempo considerato. Per avere un’idea della velocità istantanea dobbiamo calcolare la tangente alla curva (rappresentata dalle due diverse linee in due diversi punti del grafico): la pendenza della tangente rappresenta la velocità di reazione. Maggiore è la pendenza della tangente, maggiore sarà la velocità di reazione.

Qui di seguito calcoliamo la velocità, espressa come millimoli di CO2 prodotte in 1 secondo. Per essere più chiari utilizzeremo una seconda tabella:

tempo

velocità

secondi

millimoli/s

10

0,41

20

0,34

30

0,28

40

0,25

50

0,22

60

0,20

Studiando questi dati, cos’è che salta all’occhio? Sì, avete visto bene: man mano che il tempo passa, la velocità della reazione diminuisce. Per rendere questo concetto più tangibile, costruiamo il grafico corrispondente all’andamento della velocità in funzione del tempo:

Grafico velocità di reazione/tempo

Abbiamo imparato che la velocità delle reazioni chimiche non è costante, all’inizio è massima e poi diminuisce mano a mano che la reazione procede. Dallo studio della teoria si vede che tale velocità dipende dalla quantità iniziale dei reagenti.

In realtà ci sono molti altri parametri che influenzano la velocità di reazione, come la temperatura, il grado di suddivisione dei reagenti (se un reagente è solido, reagirà più velocemente se ridotto in polvere), l’agitazione del sistema o l’uso di un catalizzatore.

Potete quindi provare a modificare questi parametri per studiare gli effetti che tali cambiamenti hanno sulla velocità di reazione. Mi raccomando: usate sempre gli occhiali protettivi.

Qui di seguito vi ho messo a disposizione un filmato che vi mostra come aumenta la velocità di reazione quando si utilizza un reagente finemente polverizzato.

Filmato: esperimento di cinetica chimica

Ve lo ricordo di nuovo: in cinetica chimica di solito si studia come varia la concentrazione di un reagente o di un prodotto nell’unità di tempo. In questo caso, per facilitare l’esecuzione della prova, ho utilizzato la quantità di prodotto (l’anidride carbonica) formato nell’unità di tempo: una misura che richiede solo l’utilizzo di una semplice bilancia analitica.

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