Chimica per il liceo/Velocità di reazione: differenze tra le versioni
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== Catalisi ==
=== Cos'è la catalisi? ===
La catalisi è un fenomeno in virtù del quale una sostanza, detta catalizzatore, presente anche in piccola quantità, modifica la velocità di una reazione chimica, senza entrare a far parte della composizione dei prodotti finali e senza variare lo stato di equilibrio della reazione stessa.
La catalisi è detta omogenea quando il catalizzatore è presente nella stessa fase (per lo più gassosa o liquida) dei reagenti ed eterogenea quando il catalizzatore è presente in una fase distinta (solitamente solida).
=== Cosa sono i catalizzatori? ===
Il catalizzatore è una sostanza che, presente anche in minima quantità, modifica la velocità di una reazione chimica abbassando l’ energia di attivazione necessaria per innescare la reazione.
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▲Le più importanti caratteristiche di un catalizzatore sono le seguenti:
▲* Il catalizzatore aumenta la velocità di una reazione.
▲* Il catalizzatore subisce delle modificazioni nel corso della reazione, ma, alla fine, lo ritroviamo inalterato. Possiamo affermare che si tratta di una sostanza molto generosa perché da essa otteniamo qualcosa (una reazione più veloce) in cambio di niente (il catalizzatore non si consuma)
* Poiché non si consuma, il catalizzatore può essere usato in quantità molto piccole e quindi possono essere utilizzati catalizzatori anche molto costosi.
* Il catalizzatore opera fornendo alla reazione un meccanismo alternativo, caratterizzato da una barriera energetica (detta energia di attivazione) più bassa di quella del meccanismo non catalizzato.
* Nelle reazioni di equilibrio, il catalizzatore accelera sia la reazione diretta sia quella inversa, pertanto non cambia la costante di equilibrio. Il catalizzatore si limita ad aumentare la velocità di raggiungimento dell’equilibrio.
* Il catalizzatore non cambia l’energia dei reagenti e dei prodotti, ma cambia l’energia dello stato di transizione, abbassando l’energia di attivazione della reazione.▼
▲* Il catalizzatore non cambia l’energia dei reagenti e dei prodotti, ma cambia l’energia dello stato di transizione, abbassando l’energia di attivazione della reazione.
=== Catalizzatori biologici ===
In biochimica, ''catalizzatori biologici'' sono enzimi aventi la funzione di accelerare la velocità (di ca. 10 milioni di volte) delle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule. L'attività e la durata dei catalizzatori è favorita dalla presenza dei cosiddetti 'promotori' che agiscono modificando la superficie del catalizzatore o l'affinità con i reagenti.
Un enzima, è una proteina formata da tanti amminoacidi disposti nello spazio in modo da formare un sito dove le molecole dei reagenti possono legarsi. In questo sito, detto sito attivo, avvengono, accelerate, le reazioni.
Un enzima deve essere specifico nei confronti della molecola sulla quale agisce, che è detta substrato. In questo modo sono accelerate solamente determinate reazioni. Si parla di specificità assoluta dell’enzima quando questo agisce su un unico substrato (come la maggior parte degli enzimi), si parla di specificità relativa
quando un enzima agisce su un limitato numero di composti chimicamente molto simili. Solo una piccola parte della molecola enzimatica, dunque, interagisce con il substrato tramite la formazione di legami deboli.
Il meccanismo d’azione degli enzimi può essere spiegato attraverso un modello chiamato a chiave-serratura. Secondo questo modello l’enzima può essere paragonato a una serratura nella quale può entrare solo una specifica chiave, il substrato. L’enzima e il substrato devono avere forme che si adattino perfettamente l’una all’altra. Il modello chiave-serratura è stato proposto alla fine dell’Ottocento dal chimico tedesco Hermann Emil Fischer (1852-1919).
Nel 1958 il biochimico statunitense Daniel Koshland (1920-2007) propose un modello più complesso, ma più aderente alla realtà, per spiegare l’attività enzimatica. Gli enzimi sono infatti strutture flessibili e non rigide, per cui possono modificare la loro forma dopo che il substrato si è legato al sito attivo. Questo modello è chiamato modello dell’adattamento indotto.
E’ possibile verificare in laboratorio l’efficacia dei catalizzatori, sia organici che
inorganici, nella reazione di decomposizione dell’acqua ossigenata.
2H2O2 2H2O + O2
Nelle cellule degli esseri viventi viene prodotto perossido di idrogeno (acqua ossigenata) che è nocivo per l’ organismo. Per questo viene prodotto un particolare enzima, la catalasi, in grado di decomporre l’acqua ossigenata. Questo enzima è presenti nei tessuti vegetali e animali.
Mettendo in una provetta dell’acqua ossigenata e dei pezzetti di patata o di fegato si nota che la reazione di decomposizione dell’acqua ossigenata procede molto velocemente. Si verifica una forte accelerazione della reazione anche utilizzando una piccola quantità di biossido di manganese, che risulta inalterato e riutilizzabile alla fine della reazione.
L’uso dei catalizzatori è di notevole interesse perché sta alla base di gran parte dei processi della chimica industriale.
Circa il 90% delle sostanze chimiche prodotte industrialmente è ottenuto tramite processi catalitici. Esempi di applicazione della catalisi eterogenea sono le sintesi dell’ammoniaca, dell’acido nitrico, dell’acido solforico, del metanolo, di idrocarburi, di alcoli superiori ecc. I processi catalitici eterogenei comportano in genere minori problemi impiantistici rispetto a quelli omogenei, sia perché consentono una facile separazione dei catalizzatori dai prodotti di reazione, sia perché le sostanze in gioco presentano una minore azione corrosiva. Un esempio di catalisi eterogenea lo abbiamo quando avviene la reazione che trasforma idrogeno ed ossigeno in acqua con l'aiuto di una spugna di platino. In questa reazione la spugna di platino attira su di se le molecole di idrogeno. Il calore sviluppato dalla compressione del gas attorno alla spugna trasforma le molecole di idrogeno in atomi singoli, molto più reattivi. Questi atomi reagiscono con le molecole di ossigeno per dare molecole di acqua e completare così la reazione grazie al calore sviluppato. Il platino, fungendo da catalizzatore non si consuma durante il processo.
=== Catalizzatori chimici ===
Un esempio di catalizzatore chimico è la marmitta catalitica, un piccolo reattore chimico incorporato nel sistema di scarico dell’automobile e posto tra il motore e la marmitta tradizionale, o silenziatore. La marmitta catalitica rende più veloci le reazioni che diminuiscono la nocività dei gas di scarico dei motori a scoppio. Se queste reazioni avvenissero nell’atmosfera, senza catalisi, richiederebbero tempi molto lunghi e le sostanze tossiche permarrebbero nell’aria.
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