Cinetica delle reazioni - Percorso di approfondimento in fisica
by user
Comments
Transcript
Cinetica delle reazioni - Percorso di approfondimento in fisica
Cinetica Prof.Graziano Guella Dipartimento Fisica UNITN Argomenti Trattati Variabili cinetica e costanti specifiche di velocità Leggi di velocità integrate - casi semplici Meccanismo di Reazione - Stadi Elementari Velocità di reazione dal meccanismo di reazione Fasi determinanti la velocità ̇ Approssimazione dello Stato Stazionario Teoria di Arrhenius delle Collisioni ̇ fattore A e en. attiv. E Profilo di reazione ̇ Energia di attivazione e Distribuzione MB Reazioni Auto catalitiche e cicliche (a catena) Catalisi Enzimatica Cinetica Chimica La termodinamica ci dà informazioni sulle proprietà all’equilibrio, ma non dice nulla sulla velocità di una reazione. La velocità delle reazioni è l’oggetto della cinetica chimica. Velocità : υ = f(concentrazioni) = d[c]/dt La velocità di una reazione dipende dall’entità della barriera di attivazione ΔGtr.: Velocità di Reazione 4 In termini matematici la velocità istantanea è la derivata - limite del rapporto incrementale Δ[C]/Δt dc v= dt aA + bB → cC + dD x [C](t) 4 La velocità di reazione è definita come la variazione della concentrazione di un componente la miscela nell’unità di tempo. v = lim Δt →0 Δt t(s) Δc Δt Δ[C] Velocità di Reazione - Esempio Zn(s) + 2 HCl(aq) f Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)↑ H2 (ml) 60 40 20 15 ml 20 s 20 40 60 80 120 tempo 100 velocità di reazione = v = d [H2 ] dt variazione della concentrazione nell'unità di tempo Dipendenza della Velocità di Reazione dalla Concentrazione Zn(s) + 2 HCl(aq) f Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)↑ H2 (ml) 2 M HCl (20°C) 80 legge cinetica 60 40 20 v= 30 ml 1 M HCl (20°C) 15 ml 20 s 20 s 20 40 60 80 100 120 tempo d [H2 ] dt = k [ HCl] [X] = concentrazione Dipendenza della Velocità di Reazione dalla Temperatura Zn(s) + 2 HCl(aq) f Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)↑ H2 (ml) 80 1M HCl (35°C) 60 40 20 s v= 1M HCl (20°C) 15 ml 20 s 20 40 dt = f [T] T = temperatura 23 ml 20 d [H2 ] 60 80 100 120 tempo Dipendenza della Velocità di Reazione dall'Area Superficiale Zn(s) + 2 HCl(aq) f Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)↑ H 2(ml) 80 Zn in 20 pezzi 60 v= d [H2 ] dt = f [ As ] A = area superficiale 40 20 15 ml 20 s 20 s 20 40 60 8 ml 80 Zn pezzo unico 100 120 (sistema eterogeneo) tempo Dipendenza della Velocità di Reazione da Catalizzatori o Inibitori Zn(s) + 2 HCl(aq) f Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)↑ H2 (ml) 80 senza NaCl 60 40 20 15 ml 20 s 20 20 s 40 60 5 ml 80 con NaCl 100 v= d [H2 ] dt = f [ NaCl] Inibizione da componente estraneo 120 tempo Misura delle Velocità di Reazione 0.0400 Velocità istantanea a 150 s 0.0326 - 0.0249 = 7.7 x 10-5 mol L-1s-1 = 200 - 100 NO2 + CO [NO] (mol L-1 ) 0.0326 0.0300 ↓ 0.0268 0.0249 NO + CO2 0.0200 0.0160 0.0100 0 0 0.0268 - 0.0160 150 - 50 = 1.28 x !0-4 mol L-1 s-1 Velocità media = Tempo (s) 50 100 150 200 Energia di Attivazione Cinetica Termodinamica stato di transizione G reagenti ΔG°= - RT ln Keq ΔGtr G ΔGreaz ΔGreaz prodotti Coordinata di reazione G°reagenti G°prodotti equilibrio dG= 0 req. dr dG< 0 dr Coordinata di reazione In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la velocità aumenta (fattore cinetico). Ciò non modifica le proprietà termodinamiche della reazione. Il Reale Cammino di Reazione G cinetica Stato attivato Energia di Attivazione (non correlata al ΔG°) G° reagenti ΔG 0 = − RT ln K eq ΔG° termodinamica G° prodotti dG <0 dr dG =0 dr dG >0 dr req. r (coordinata di reazione) Equilibrio (reagenti + prodotti)eq Stechiometria e Velocità aA + bB 1 d − A (t ) a dt 1 d − B (t ) b dt → cC + dD 1d − C (t ) c dt 1 d − D (t ) d dt Ci si aspetta che queste quattro espressioni siano uguali, ma questo non è necessariamente il caso Meccanismo di reazione! Legge Cinetica Correla la velocità alle concentrazioni istantanee aA + bB → cC + dD Ci si aspetta che più A e B sono presenti più C verrà prodotto in un certo tempo, cioè La velocità è proporzionale alla concentrazione La teoria delle Collisioni aiuta a razionalizzare tale relazione Legge Cinetica e Ordine di Reazione Correla la velocità υ con le concentrazioni istantanee aA + bB → cC + dD d[A] d[D] ([D] aumenta col tempo) υ= υ= − dt dt ([A] diminuisce col tempo) velocità = k [ A ] ( t ) na [ B] ( t ) [ C ] [ D ] nb Ordine di reazione = na + nb + nc + nd Costante di velocità non una funzione del tempo ma k(T,P) nc nd Ordine di reazione parziale rispetto a D 1 d velocità ( t ) = − A(t ) a dt Per cui la legge cinetica è equazione differenziale. Reazioni Elementari aA + bB → cC + dD velocità = k [ A ] ( t ) na [ B] ( t ) [ C ] [ D ] nb nc nd na = a nb = b nc = c nd = d La Stechiometria determina la legge cinetica, ma solo per reazioni elementari !!! Reazioni Elementari e Complesse L’ordine di una reazione non è determinato dalla stechiometria totale. Solo per reazioni elementari la stechiometria determina la legge cinetica. Esempio : H2 + Br2 → 2HBr , l’ordine sperimentale di questa reazione non è ne 1 ne 2. Le reazioni avvengono attraverso una serie di atti elementari; sono cioè il risultato di numerose reazioni intermedie, che portano alla formazione di composti intermedi attraverso una serie di stadi attivati (complessi attivati) che non si accumulano. Il percorso è indicato come cammino di reazione. G complessi attivati Eatt ΔG Gi Intermedi Gf Coord. reazione Reazioni di Ordine Zero La velocità di una reazione di ordine zero è indipendente dalla concentrazione, cioè resta costante: d[A] υ= − = k0 dt d[A] υ= − = k0 dt ( M·s-1 ) [A]t d[A]= − k0 dt tt ∫ d[A]= − ∫ k [A]0 0 t0 [A]t = [A]0 − k0 t Una reazione non può essere di ordine zero indefinitamente. Molte reazioni catalizzate dagli enzimi sembrano di ordine zero quando si opera con un grande eccesso di reagenti. dt , Esempio: Ossidazione Catalitica dell’Etanolo Pt CH3CH2OH + O2 → CH3CHO + H2O CH3CH2OH c = c0 - k0·t c0 CH3CHO c = k0·t c 0 0 Tempo, t Reazioni del Primo Ordine Per una reazione di primo ordine la velocità dipende solo dalla concentrazione di uno dei reagenti : A → prodotti d v = − [ A] ( t ) = k1 [ A] ( t ) dt [A]t tt d[A] , ∫[A] [A] = − t∫ k1 dt 0 0 k1 , ha unità s-1 [A]t ln = − k1 (t − t0 ) [A]0 Termine fondamentale: vita media Reazioni del Primo Ordine Si può sempre postulare t0 = 0 : [A]t ln = − k1 (t − t0 ) [A]0 ln[A] = ln[A]0 − k1 t ln[A]0 ln[A ] = ln[A ]0 − k1t Un grafico di ln[A] contro t permette di determinare k1 (dalla pendenza della retta interpolante i dati). ln[A] k1 = tang() Tempo, t Reazioni del Primo Ordine e ln[A] =e ln[A]0 − k1 t =e [A]=[A]0 e ln[A]0 e − k1 t − k1 t Per reazioni di primo ordine la diminuzione di concentrazione dei reagenti nel tempo è esponenziale. (La diminuzione per una reazione di ordine zero è invece lineare.) Se k ha le unità di s-1, (ln 2)/k è la vita media in secondi (t1/2). In corrispondenza ad ogni t1/2, la [A] si riduce sempre della metà. Tempo di Semitrasformazione o Vita Media (Reaz. 1° Ordine) t = t1/2 [A]0 [A]= 2 [A]0 − k1 t1/2 =[A]0 e 2 ⎛1⎞ − k1 t1/2 ln ⎜ ⎟ = ln e ⎝2⎠ ( ) ⎛1⎞ ln ⎜ ⎟ ≡ − ln 2 = − k1 t1/2 ⎝2⎠ ln 2 t1/2 = k1 ln 2 = 0.6931 L’emi-vita per una reazione di primo ordine non dipende dalla [A]0. Esempi di Reazioni di Primo Ordine (i) (i) (i) (i) • • • • Dissociazioni unimolecolari; Processi radioattivi Metabolismo di farmaci Degradazione inquinanti. 14 6 C nelle piante si accumula nei tessuti. 14 Quando una pianta o l’animale muore il 6 C comincia a Esempio: L’isotopo disintegrarsi a seguito della reazione nucleare : 14 6 C → 14 7 N + −10β Datazione al Radiocarbonio Raggi cosmici Azoto-14 protone perso Carbonio-14 Cattura neutronica Tutte e tre gli isotopi del carbonio (C-12, C-13 e C-14 (radioattivo)) vengono assorbiti dagli organismi viventi. suolo Dopo la morte e l’interramento, il legno e le ossa perdono il C-14 per decadimento beta a N-14. Carbonio-14 particella beta Dec. beta protone Azoto-14 neutrone Il metodo della datazione al radiocarbonio fu sviluppato nel 1940 da Willard F. Libby e colleghi all’Università di Chicago. Successivamente si sviluppo nel più potente metodo di datazione di manufatti ed eventi geologici del tardo Pleistocene ed Olocene di circa 50,000 anni di età. Il metodo del radiocarbonio si applica in molti e diversi campi scientifici, inclusa l’archeologia, la geologia, l’oceanografia, l’idrologia, la scienza dell’atmosfera, e la paleoclimatologia. Libby ricevette il Premio Nobel in Chimica nel 1960. Decadimento Radioattivo 14 6 C → 14 7 N + −10β Si tratta di una reazione del primo ordine con un tempo di semitrasformazione di 5770 anni. Se un reperto archeologico contiene solo il 29% del 14 6 C che conteneva quando era ancora in vita, quanti anni sono passati dalla sua morte? t1 / 2 ln 2 = k1 k1 = [146 C] ln 14 = − k1t [ 6 C]0 ln 2 ln 2 = = 1.201 × 10− 4 anni −1 t1 / 2 5770 anni [14 C] ln 146 − ln 0.29 [ 6 C]0 t=− = = 10300 anni 4 −1 k1 1.201 × 10 anni Reazioni di Secondo Ordine 2A → prodotti Classe I. A + B → prodotti 1) Classe I. [A]t t υ = k2 [A]2 Classe II: υ = k2 [A] [B] Unità di k2 : M-1·s-1 d[A] υ= − = k2 [A]2 dt d[A] , = − k dt ∫[A] [A]2 ∫0 2 0 1 1 − = k2 t [A]t [A]0 [A]0 k2 t +1) ( 1 = [A] [A]0 1 1 = k2 t + [A] [A]0 Reazioni di Secondo Ordine Concentrazione [A] [A]0 [A] = ([A]0 k2 t +1) Un grafico di [A]−1 contro t fornisce una retta con pendenza = k2 1.2 1 II°ordine 0.8 0.6 0.4 0.2 I°ordine 0 0 2 4 6 8 Tempo (s) 10 12 14 16 Diminuzione della concentrazione di [A] nel tempo: reazioni di 1°vs. 2°ordine. Tempo di Semitrasformazione (2° Ordine) L’emi-vita di A : il tempo t1/2 per cui [A]0 [A] = ([A]0 k2 t +1) t1/2 1 = k2 [A]0 ln 2 t1/2 = k1 [A]0 [A]= 2 2 1 = k2 t1/2 + [A]0 [A]0 Per una reazione di secondo ordine Per una reazione di primo ordine Il tempo di semi-trasformazione di una reazione di secondo ordine dipende dalla concentrazione iniziale dei reagenti. Reazioni di Secondo Ordine (Classe II) A + B → prodotti c0A, c0B concentrazioni iniziali x = (quantità / V) di A reagito dx d [ A] = = k ( c0 A − x ) ⋅ ( c0 B − x ) dt dt dx = k dt ( c0 A − x ) ⋅ ( c0 B − x ) (c0A – x) = concentrazione di A al tempo t Reazioni di Secondo Ordine (Classe II) 1/ [(c0A - x)·(c0B - x)] = C/ [c0A - x] + D/ [c0B - x] 1 = D [c0A - x] + C [c0B - x] 1 = D c 0A + C c 0B 0=Dx+Cx Per cui C = -D e 1/(c0A - c0B) = D (solo se le conc. iniziali distinte) -dx / [c0A - x] + dx/ [c0B - x] = (c0A - c0B) kdt = kdt dln [c0A - x] - dln [c0B - x ] = kdt (c0A - x)/(c0B - x) = eKt per c0A ≠ c0B La costante effettiva di velocità dipende dalla concentrazione Determinazione Sperimentale dell’Ordine di Reazione I. Metodo grafico : Ordine di reazione Grafico tipo retta 0 [A] contro t 1 ln[A] contro t 2 (classe I) 1/[A] contro t 2 (classe II) ln([A]/[B]) contro t Cinetica del Primo Ordine 2 N2O5 (g) f 4 NO2 (g) + O2 (g) tempo (min) 20 16 [N2O5] 12 8 4 20 104 v 40 60 80 tempo 0 10 20 30 40 50 60 70 4 Pr (mmHg) [N2O5] M 340.2 224.8 166.7 123.2 92.2 69.1 51.1 37.5 0.0172 0.0113 0.0084 0.0062 0.0046 0.0035 0.0026 0.0019 v (M-1s-1) - 3.4 x 10-4 2.5 x 10-4 1.8 x 10-4 1.3 x 10-4 1.0 x 10-4 0.8 x 10-4 0.6 x 10-4 tangenti alla curva (M-1s-1) 3 Velocità = k [N2O5] 2 1 k = pendenza = 3.0 x 10-4 min-1 2 4 6 8 10 [N2O5]x103 Determinazione Sperimentale dell’Ordine di Reazione II. Metodo delle concentrazioni iniziali. La velocità iniziale di una reazione è la velocità nell’instante in cui si mescolano i reagenti. υ 0 = k [A]0m [B]0n [C]0p m = ordine di reazione rispetto ad A Se si varia [A]0 mantenendo costante la concentrazione di tutti gli altri reagenti si può determinare una costante effettiva k’ : υ0 = k ( [B]0n [C]0p ) [A]0m = k '[A]0m ln v = ln k '+ m ln [ A ] Un grafico del logaritmo della velocità (misurata a varie concentrazioni di un reagente) in funzione del logaritmo della concentrazione del reagente é una retta con pendenza m. Esempio Se [A] è in grande eccesso in rapporto a [B] la reazione si comporta come una reazione di primo ordine: υ = k2 [A][B] ≈ k’ [B] → pseudo-1° ordine. Occorrono varie misure cinetiche a diverse concentrazioni fisse del reagente in eccesso A per determinare la vera costante di velocità k2 e il vero ordine di reazione. Metodo delle Velocità Iniziali In generale durante una reazione variano contemporaneamente le concentrazioni di più reagenti. Ciò impone una analisi più complessa della cinetica di reazione. Si semplifica il problema misurando la velocità nei primi attimi del processo, quando sono variate di poco le concentrazioni, e si fa variare la concentrazione di un solo reagente (metodo della velocità iniziale). 2 NO(g) + Cl2 (g) → 2 NOCl(g) Concentrazioni iniziali (M) [NO] [Cl2] 0.010 0.010 0.020 Velocità = k 0.010 0.020 0.020 [NO]2 [Cl 2] Velocità iniziali (M-1s-1) 1.2 x 10-4 2.3 x 10-4 9.6 x 10-4 secondo ordine rispetto a NO primo ordine rispetto a Cl2 Metodo della Legge Integrata In generale si possono recuperare le velocità per integrazione della legge cinetica che, con il metodo dell’isolamento, ha la forma : velocità = v = Reazioni del primo ordine (n =1) v = -d[A]/dt = k [A] ln [ A ]t = −kt + ln [ A ]0 [ A ]0 ln = k t1/ 2 1/ 2 [ A ]0 Reazioni del secondo ordine (n =2) v = -d[A]/dt = k [A]2 1 1 =kt+ [ A ]t [ A ]0 d [A] dt = k [A] n ln[A]t pendenza = - k ln[A]o t 1 [A]t 1 [A]o pendenza = k t Reazioni Dirette e Inverse La velocità complessiva di una singola reazione è la velocità diretta ma in processi reversibili esiste anche la velocità di reazione inversa Cinetica ed Equilibrio - Bilancio Dettagliato All’equilibrio le velocità diretta ed inversa di ogni reazione elementare si bilanciano k1 A+B a C+D k-1 k1 2 HI(g) a H2 (g) + I2 (g) k-1 v= d [H2 ] dt = d [ I2 ] k1 K= k−1 [H2] 2 HI → H2 + I2 dt = k1 [ HI ] − k−1 [ H 2 ][ I 2 ] 2 k1 [ A ][ B] = k−1 [ C][ D ] H2 + I2 → 2 HI k1 K= k−1 equilibrio t Riassunto Leggi Cinetiche per Reazioni Semplici Reazione Ordine Eq. cinetica Forma integrata Unità AfB Zero − d [A] / dt = 0 [ A ] = [ A ]0 − kt mol l-1 AfB Primo −d [A] / dt = k [ A ] ln[A]t = − kt + ln[A]0 s-1 1 1 = k ⋅t + [A]t [A]0 l mol-1s-1 A + A f B Secondo −d [A] / dt = k [ A ] 2 Aa B Primo −d [A] / dt = k1 [ A ] − k−1 [ B] A + B f P Secondo −d [A] / dt = k1 [ A ][ B] ln [A]0 = k ⋅ t1/ 2 1/ 2[A]0 t1/2 = ln(2)/k (tempo di dimezzamento) s-1 l mol-1s-1 t1/2 =1/k[A]o Meccanismo di Reazione (Sequenza di Reazioni Elementari) Come detto per le Reazioni Elementari la stechiometria fornisce la legge cinetica nA + mB → prodotti velocità = k [ A ] [ B] n m Ma la maggior parte delle reazioni hanno cinetiche complesse perché si svolgono attraverso numerose strade parallele o consecutive costituite da tante reazioni elementari. Reazioni Parallele k1 A → B k2 [X] A A → C B C D k3 A → D processi monomolecolari Espressioni delle velocità d [A] − = ( k1 + k2 ) [A] dt d [B] − = k1[A] dt d [C] − = k2 [A] dt t Resa: Frazione di un reagente convertito in un prodotto Selettività : S0 = χB χC Selettività istantanea: S0 = χ B k1 = = Sp χ C k2 xB = frazione del reagente A convertito a B xC = frazione del reagente A convertito a C Reazioni Consecutive A k1 B k2 C mol % prodotti (C) prodotti (C) 80 A Intermedio (B) 60 A 40 20 k2 ≈ k1 t Intermedio labile (B) k2 » k1 t Assunti Semplificanti • Fase determinante la velocità (pre-equilibrio) • Approssimazione dello Stato Stazionario Fasi Determinati la Velocità Fasi lente in un meccanismo di reazione Le fasi antecedenti raggiungono l’equilibrio La fase(i) successive sono veloci/irrilevanti CONCETTO CHIAVE: intermedi reattivi Esempio (2NO + O2 → 2NO2) (O.R. = 3) k1 Le collisioni a tre corpi sono rare NO + NO a k-1 k2 N2O2 (equilibrio veloce) N2O2 + O2 → 2NO2 (lento) Poiché la fase lenta determina la velocità complessiva, si può scrivere: velocità = k2 [N 2 O 2 ] ⋅ [ O 2 ] La concentrazione di un intermedio reattivo come N2O2 non può però essere variata a piacere. Siccome N2O2 reagisce solo lentamente con O2, la reazione inversa (a 2 NO) è possibile e si deve prendere in considerazione. Esempio (2) In effetti, è ragionevole assumere che tutte le reazioni elementari che avvengono prima della fase determinante la velocità siano in equilibrio con le reazioni diretta e inversa che avvengono alla stessa velocità. In tal caso, si ha: [N 2 O 2 ] [ NO] 2 = k1 = K1 k−1 [N 2 O 2 ] = K1 [ NO ] 2 velocità = k2 [N 2 O 2 ] ⋅ [ O 2 ] Questo risultato è consistente con l’ordine di reazione osservato, con k2 K1 = kobs Esempio Classico - Sintesi HI H2 + I2 a 2HI velocità = k2 [H 2 ] ⋅ [ I 2 ] Ma hν + I2 f 2I velocità drammaticamente aumentata!!! M + I2 a I + I + M veloce I + H2 a H2I H2I + I f 2HI K1 = [ I ] / [ I 2 ] veloce poco veloce 2 K 2 = [H 2 I] / ([ H 2 ][ I ]) k = [ H 2 I] ⋅ [ I] Esempio Classico (2) velocità = k2 [H 2 ] ⋅ [ I 2 ] K 2 = [H 2 I] / ([ H 2 ][ I ]) K 2 [ H 2 ][ I ] = [H 2 I] velocità = kK 2 [ H 2 ] ⋅ [ I ][ I ] = kK 2 [ H 2 ][ I ] 2 = kK 2 K1 [ I 2 ][ H 2 ] K1 [ I ] / [ I 2 ] 2 Approssimazione dello Stato Stazionario Nessuna fase è determinante la velocità Si applica a (un) intermedio I d [I] ( t ) = formazione − distruzione = 0 dt L’approssimazione dello stato stazionario è un approccio più generale che si può usare quando non vi sia alcuna fase determinante la velocità. Approssimazione dello Stato Stazionario e Meccanismo Lindemann del Complesso Attivato d [ A*] ( t ) A + M a A* + M A* f prodotti dt k1 [ A ][ M ] − k−1 [ A*][ M ] − k2 [ A*] = 0 [ A*] = k1 [ A ][ M ] {k [ M ] + k } −1 2 velocità = k2 [ A*] = k2 k1 [ A ][ M ] {k [ M ] + k } −1 2 =0 Esempio N2O5 → 2NO2 + 1/2 O2 N2O5 + M a N2O5* + M N2O5* f k 2NO2 + 1/2 O2 2 d [ N 2 O5 *] dt = k1 [ N 2 O5 ][ M ] − k−1 [ N 2 O5 *][ M ] − k2 [ N 2 O5 *] All’inizio della reazione, [N2O5*] è 0, ma la sua concentrazione cresce dopo breve tempo ad un basso valore. L’approssimazione dello stato-stazionario consiste nell’assunto che dopo poco tempo le velocità di produzione e scomparsa di N2O5* diventano uguali e d [ N 2 O5 *] dt =0 Esempio N2O5 [ N 2O2 *]{k2 + k−1 [ M ]} = k1 [ N 2O5 ][ M ] [ N 2O2 *] = k1 [ N 2 O5 ][ M ] k2 + k−1 [ M ] La velocità della reazione complessiva N2O5 → 2NO2 + 1/2 O2 è k1k2 [ N 2 O5 ][ M ] 1 d [ NO 2 ] = k2 [ N 2 O5 *] = velocità = 2 dt k2 + k−1 [ M ] L’espressione presenta due casi limite : 1) Bassa pressione quando [M] è abbastanza piccolo, k2 >> k-1[M] e si può usare l’approssimazione (cioè è la prima fase che determina la velocità) velocità = k1k2 [ N 2 O5 ][ M ] (secondo ordine) 1) Alta pressione Quando [M] è abbastanza alta, k-1[M] >> k2 e si può usare l’ approssimazione (cioè è la seconda fase che determina la velocità) velocità = k1 k 2 [ N 2 O5 ] k−1 (primo ordine) Dipendenza della Costante di Velocità k da T L’esperienza ci dice: c’è una relazione logaritmica tra la costante di velocità di una reazione e T-1: Arrhenius-1889 ⎛1⎞ ln k = pendenza × ⎜ ⎟ + ln A ⎝T ⎠ Pendenza = ? Ma si trova che la reazione: CH3• + CH3• non dipende da T Perché CH3• + CH3• è differente? Legge di Arrhenius Legata al concetto di barriera (energia) di attivazione: pendenza = − Ea/R ⎛1⎞ ln k = pendenza × ⎜ ⎟ + ln A ⎝T⎠ ⎛ Ea ⎞ k = A exp ⎜ − ⎟ RT ⎝ ⎠ (a) Analogie con l’espressione microscopica di Boltzmann per W di un gas perfetto termostatato. (b) Analogie con Keq : K=e ΔG 0 − RT Energia di Attivazione stato di transizione G Ea reagenti DGreaz fattore cinetico fattore termodinamico prodotti Coordinata di reazione In presenza di un catalizzatore la barriera diminuisce e la velocità aumenta (fattore cinetico). Legge di Arrhenius ⎛ Ea ⎞ k = A exp ⎜ − ⎟ RT ⎝ ⎠ Ea è l’energia di attivazione, A è il fattore pre-esponenziale che dipende dalla frequenza di collisioni tra i reagenti. Un grafico di lnk contro 1/T fornisce una retta con pendenza: ⎛1⎞ ln k = pendenza × ⎜ ⎟ + ln A ⎝T⎠ Ea pendenza = − R Effetto di T sulla Velocità di Reazione In base alla legge di Arrhenius è facile valutare la velocità di una reazione a due diverse temperature k2 a T2 e k1 a T1: Ea R ⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ + ln A ⎝ T2 ⎠ Ea ln k1 = − R ⎛1⎞ ⎜ ⎟ + ln A ⎝ T1 ⎠ ln k2 = − − E (ln k2 − ln k1 ) = − a R ⎛ k2 ⎞ Ea ⎛ 1 1⎞ ln = − − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ → R T T 1 ⎠ ⎝ 2 ⎝ k1 ⎠ ⎛ 1 1⎞ ⎜ − ⎟ ⎝ T2 T1 ⎠ ⎛ K2 ⎞ ΔH 0 ⎛ 1 1 ⎞ Analogie con Keq : ln ⎜ ⎟ = − ⎜ − ⎟ R ⎝ T2 T1 ⎠ ⎝ K1 ⎠ Esempio T(°C) 61.0 71.2 k (min-1) 0.71·10-5 2.77·10-5 Calcolare Ea, A, e k a 80°C. ⎛ k2 ⎞ Ea ln ⎜ ⎟ = − R ⎝ k1 ⎠ k2 k1 Ea = ⎛ 1 1⎞ ⎜ − ⎟ ⎝ T2 T1 ⎠ ⎛ 1 1⎞ ⎜ − ⎟ ⎝ T2 T1 ⎠ − R ln = 128 000 J (per mole di reazione) Esempio k1 k2 A= = = 7.26 × 1014 min -1 exp( − E a / RT1 ) exp( − E a / RT2 ) A T = 80°C : -1 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ Ea 128000 J mol − 14 -1 k = A exp ⎜ − ⎟ ⎟ = (7.26 × 10 min ) exp ⎜ -1 R(353K) 8.3145 J K (353.15 K) ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ = 8.49×10-5 min-1 à 353 K Dipendenza della Velocità dalla Temperatura v v v vmax (mol s-1) T , °K Cinetica di reazione tipica (legge Arrhenius) La velocità aumenta di un fattore 2-3 ogni aumento di 10 °C della temperatura. Tin. T , °K T , °K Cinetica di reazione esplosiva (Tin. = temp. innesco) Cinetica di reazione enzimatica (catalitica) La velocità aumenta normalmente fino a Tin, dopo di che si innalza bruscamente. La velocità aumenta fino a raggiungere un valore massimo, quindi cala. Teoria dello Stato di Transizione Analogie con Keq : K=e ΔG 0 − RT Lo stato di transizione: una struttura intermedia tra i reagenti e i prodotti (al culmine del grafico energetico) La frequenza di vibrazione che corrisponde al massimo energetico è negativa → una struttura instabile. Stato di Transizione stato di transizione G ΔGtr reagenti ΔGtr ΔGreaz prodotti Coordinata di reazione Calcoli Teorici sui Cammini di Reazione + Chemin réactionnel de l'insertion linéaire de l'éthylène sur DIP-Fe CH 3+ Cammino di reazione per l’inserimento dell’etilene sul DIP-Fe-CH 3 (Calcul DFT/BLAP3) (calcoli DFT/BLAP3) α ag =73° R ag =2.07Å α ag =58° R ag =1.84Å α ag =49° +0.5 R ag =1.86Å TS1 -7.3 complexe π π Complesso α ag =97° R ag =2.38Å -15.0 Intermedio intermédiaire γ-agostico γ− agostique α ag =48° R ag =2.04Å Teoria dello Stato di Transizione Nella (TET) si ipotizza che la struttura del transiente sia in equilibrio chimico con i reagenti. A+ B k C+D complesso attivato A+ B K# AB# k# C+D # [AB ] # → [AB#] = K# [A][B] K = [A][B] (Per υ attorno alla velocità iniziale υ0) Teoria dello Stato di Transizione Dissociazione unimolecolare dello stato di transizione: una reazione di primo ordine con un k# che si suppone lo stesso per tutte le reazioni. A+ B K# AB# k# C+D d[C] d[D] # υ = = = k [AB# ] = k # K # [A][B] dt dt # La velocità di reazione: υ = k[A][B]= d[C] # # = k K [A][B] dt → k = k# K# kB T k = h # Teoria dello Stato di Transizione K# può esprimersi mediante la formula termodinamica: # ⎛ ⎞ Δ G # K = exp ⎜ − ⎟ , ⎝ RT ⎠ ΔG# = ΔH# − TΔS# ⎛ ΔS# ⎞ ⎛ −ΔH # ⎞ kB T k =k K = exp ⎜ ⎟ exp ⎜ ⎟ h R RT ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ # # Questo rappresenta il principale risultato della teoria dello stato di transizione. Confronto tra TET e Arrhenius Confronto con la formula di Arrhenius per la stessa reazione A + B → C + D: TET Arrhenius ⎛ ΔS# ⎞ ⎛ −ΔH # ⎞ kB T k =k K = exp ⎜ ⎟ exp ⎜ ⎟ h R RT ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ # # ΔH# ≈ Ea ; ⎛ Ea ⎞ k = A exp ⎜ − ⎟ RT ⎝ ⎠ ⎛ ΔS# ⎞ kB T A≈ exp ⎜ ⎟ h R ⎝ ⎠ Significato di A La teoria dello stato di transizione fornisce una interpretazione del fattore pre-esponenziale A nella formule di Arrhenius: Ea ln k = − R TET: ⎛1⎞ × ⎜ ⎟ + ln A ⎝T⎠ ⎛ ΔS# ⎞ ⎛ −ΔH # ⎞ kB T k =k K = exp ⎜ ⎟ exp ⎜ ⎟ h R RT ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ # # k BT Quando A < → ΔS# < 0 → lo stato di transizione è h più ordinato dei reagenti (una reazione bi- molecolare in fase gas). Teoria delle Collisioni Descrizione microscopica di A + A → prodotti Area x velocità = volume/tempo t = u x l sec u da MB perso coinvolto d d V = π l2 u d coinvolto perso coinvolto Una molecola in media (in rosso) spazza un cilindro di volume π l2 in un secondo. Colliderà con qualsiasi molecola il cui centro sta all’interno del cilindro. Da ciò, si può calcolare la velocità delle sue collisioni con le altre molecole V x densità (quasi uguale) = N°di collisioni Teoria delle Collisioni (2) Le molecole si assumono approssimativamente sferiche con diametro d, dell’ordine di 10-10 m. Si suppone che si muovano in un gas di molecole stazionarie delle stesse dimensioni. Queste spazzano un cilindro di area πd2 e collidono con tutte quelle all’interno al cilindro. In un secondo, la lunghezza di un tale cilindro u x Δt = u x1s, con u velocità media. In 1 secondo, le molecole coprono un volume di V = πd2u. Se N/V è il numero di molecole per unità di volume (dgas), il numero di collisioni al secondo circa è Inserendo il risultato per u dalla teoria cinetica 8RT = u si ha: Mπ Z1 = N 2 π RT d V M Volume spazzato/tempo {⎣⎡π d 4d ρ 2 N Z1 = 2 π d 2u V Velocità media 2 Particelle nel volume spazzato } u ⎦⎤ densità 2 = Z1 = π RT M Frequenza di collisione = collisioni/tempo Z1 Teoria delle Collisioni (3) Z1 = 2π d 2u π RT N = 4d 2 V M d : diametro molecolare u : velocità media M : peso molecolare N/V : densità di molecole nel gas velocità di collisioni per unità di volume 1 NZ1 velocità totale di Collisioni /volume 2 V Z AA = 2d 2 1 N 1 = ρ Z1 Numero totale di collisioni/tempo/volume = 2 VZ1 2 = 1 2 2 π RT ρ 4d = Z AA 2 M π RT ⎛ N ⎞ ⎜ ⎟ M ⎝V ⎠ 2 Teoria delle Collisioni (4) Una collisione elimina due molecole A A + A → prodotti ⎛ 1 ⎞ dN = −2 Z AA ⎜ ⎟ ⎝ V ⎠ dt [ ] = densità molare = ρ/N0 d [A] dt 2Z AA =− N0 1 d [ A ] Z AA 2 2 ⎛ N 0 ⎞ ⎛ π RT ⎞ = = 2d ρ ⎜ 2 ⎟ ⎜ velocità = − ⎟= 2 dt N0 ⎝ N0 ⎠ ⎝ M ⎠ ⎡ 2 π RT ⎤ 2 = A 2 A d N k [ ]⎢ [ ] ⎥ 0 M ⎣ ⎦ 2 ⎡ 2 π RT ⎤ k = ⎢ 2d N 0 ⎥ M ⎦ ⎣ Ogni collisione produce una reazione? Collisioni e Fattore Sterico NO NO22Cl Cl++Cl Cl f f Cl Cl22++NO NO22 ONO Cl 1 mole gas a P = 1 atm e T = 298 °K N. collisioni/sec. = 107 tempo di reazione = 1 mol/107 mol s-1 = 10-7 s, se tutte le collisioni sono attive. ONO ONO Cl Cl ONO Cl ONO Cl Cl Cl Cl Collisione efficace Cl ONO Cl collisione non efficace Cl Cl Origine dell’Energia di Attivazione Marcelin-1915 non tutte le collisioni danno reazione Le specie che collidono devono avere sufficiente energia per reagire La media non è tutto Maxwell-Boltzmann e cammino di reazione Distribuzione di Maxwell-Boltzmann Effetto della Temperatura su k Distribuzione Energia cinetica 0.004 Distribuzione Energia di collisione 0.004 T3 > T1 T1 f(v) f(v) T2 0.002 E > Eatt. 0.002 T3 0 0 1000 2000 <u> = velocità media Frazione di molecole con energia > Eatt diminuisce come: exp(−Eatt / RT ) v 0 v 0 1000 2000 Distribuzione MB ⎛ m ⎞ ⎟⎟ f (u ) = 4π ⎜⎜ ⎝ 2π kT ⎠ 3/ 2 ∞ ∫ 0 u 2 exp(−mu 2 / 2kT ) Funzione Densità di Probabilità (Distribuzione) f(u)du è la probabilità di avere la velocità u tra u e u+du f (u) ≥ 0 f(u) ∫ g (u) f (u)du = g u u+du ∞ ∫ f (u)du = 1 −∞ Normalizzazione Entropia di Attivazione Per una reazione del tipo : A−(aq) + B+(aq) → AB# (aq) → prodotti ΔS# > 0 → delle molecole di acqua sono liberate a seguito della formazione di AB# (qui una struttura non carica). Per una reazione del tipo : A−(aq) + B-(aq) → (AB#)2- (aq) → prodotti ΔS# < 0 perché lo stato di transizione è fortemente carico, e porta ad attrarre più molecole di solvente. Cinetica Chimica e Equilibrio Il meccanismo di una reazione: une serie di stadi elementari (monoo bi- molecolari). All’equilibrio ogni stadio elementare deve essere una reazione reversibile. k2 A + B All’equilibrio: k-2 C + D k2 [A][B] = k-2 [C][D] k2 [C]eq [D]eq = ≡ K eq k−2 [A]eq [B]eq Principio della Reversibilità Microscopica Se una reazione passa per uno stadio intermedio o lo stato di transizione, all’equilibrio la reazione opposta passerà dallo stesso stato di transizione della reazione originale. k1 A B k-1 k-3 k3 k2 C k-2 k1 ⎛ k2 ⎞ ⎛ k3 ⎞ =⎜ K= ⎟ ⎟⎜ k−1 ⎝ k−2 ⎠⎝ k−3 ⎠ Catalisi nelle Reazioni Chimiche X≠ Non catalizzata ΔΔGcat≠ (riduzione in ΔG ≠ da parte del catalizzatore) G catalizzata A+B A+B a C+D coordinata di reazione C+D Esempio di Reazione Catalizzata Composti chimici apparentemente estranei alla reazione in esame (non intervengono cioè nella stechiometria complessiva della reazione) ma che modificano la velocità di reazione. In molti casi è possibile recuperarli alla fine della reazione inalterati. Catalizzatori positivi : aumentano la velocità Catalizzatori negativi : abbassano la velocità (eliminano Cat. pos.) SO2 + 1/2 O2 f SO3 ΔG°= 70.8 kJ/mol Catalisi omogenea gassosa NO + 1/2 O2 Eatt. = 162 kJ/mol SO2 + NO2 Eatt. (NO) = 104 kJ/mol SO2 + 1/2 O2 k1 → k2 NO2 → SO3 + NO → SO3 Inibitori (o Catalizzatori Negativi) A) Eliminatori di catalizzatori positivi (Stabilizzanti) ΔG°= - 123.9 kJ mol-1 H2O2 fn+ H2O + 1/2 O2 M catalizzata da ioni metallici L CH2COOH HOOCH2C + Mn+ N-CH2CH2-N HOOCH2C CH2COOH EDTA L M L L L L complesso Mn+ - EDTA poco attivo nella decomp. B) Interruttori di catene radicaliche (Antiossidanti) R-H f R. O2 ROO. R-H Inb. R-H o R-Inb. R-PhOH (vit. E) R2NH (ALS) Vitamina A e C Tioli e solfuri Cinetica delle Reazioni Catalizzate da Enzimi Gli enzimi sono capaci di aumentare enormemente la velocità della reazione catalizzata : 2 H2O2 (aq) → 2 H2O (liq) + O2 (g) In presenza dell’enzima catalasi la velocità aumenta circa 15 ordini di grandezza. Nella maggior parte delle reazioni enzimatiche l’azione catalitica consiste in una forte stabilizzazione dello stato di transizione a seguito di interazioni non covalenti. Catalisi Enzimatica Energia libera (G) Stato di transizione Non catalizzata ΔG di attivazione catalizzata E+S ΔG di reazione ES EP E+P ΔG di legame coordinata di reazione Catalisi Enzimatica d [ P] Termine inizio dt [S] Dipendenza della velocità di una reazione enzimatica dalla concentrazione del substrato. La linea tratteggiata corrisponde alla velocità raggiunta ad elevata [S] 0 Enzima Substrato Enzima legato Substrato spezzato al substrato + Enzima non-legato Sito Catalitico dell’Enzima Cinetica di Michaelis-Menten La cinetica di una reazione enzimatica di ordine complesso. Sistema : catalizzatore E S Reagente (substrato) P l’insieme dei prodotti Dati Sperimentali 1). La velocità di una reazione enzimatica è proporzionale alla concentrazione dell’enzima : υ ∝ [E] 2). A basse concentrazioni di substrato la velocità è proporzionale alla concentrazione del substrato: υ = k [S] 3). Ad alte concentrazioni di substrato la velocità diventa indipendente dalla [S] e raggiunge il sua valore massimo. υ = υmax Cinetica di tipo Michaelis-Menton 0.9 0.8 velocità iniziale 0.7 0.6 0.5 1 υmax 2 0.4 0.3 0.2 0.1 KM 0 0 0.2 0.4 0.6 [S] [S] 0.8 1 1.2 1.4 Complesso ES L’esperienza mostra la formazione di un complesso intermedio tra S e E (ES). Ad alta [S] tutto l’E partecipa al ES: υ = υmax: Un aumento ulteriore di [S] non influenzerà più la velocità (υ = υmax = cost.). Definizione: la costante catalitica dell’enzima (kcat) : kcat = υ max [E 0 ] [E0] è la concentrazione totale dell’enzima. Cinetica di Michaelis-Menten a Due Stadi 1) Formazione di un complesso (ES) (stadio reversibile): k1 ⎯⎯ → ES E + S ←⎯⎯ k−1 2) Formazione del prodotto e rigenerazione del catalizzatore: ES ⎯⎯→ E + P k2 Cinetica di Michaelis-Menten a Due Stadi k1 k2 ⎯⎯ → E + S ←⎯⎯ ES ⎯⎯→ E + SP k−1 Il secondo stadio diventa anch’esso reversibile a tempi lunghi. L’equilibrio del 1° stadio si stabilisce prima del 2° → si trascura l’effetto della reazione opposta nel 2° stadio. Analogie con la TET A+ B K# AB# k# d[C] # # υ = k[A][B]= = k K [A][B] dt C+D → k = k# K# Velocità Iniziale La cinetica di Michaelis-Menten si applica alla velocità iniziale (υ0): ES k2 E + P ⎛ d[P] ⎞ υ0 = ⎜ ⎟ = k2 [ES] ⎝ dt ⎠t=0 k2 = kcat = υ max [E 0 ] Stato Stazionario L’approssimazione dello stato stazionario (‘steady state’) per la [ES] : d[ES] = 0 = k1 [E][S] − k −1 [ES] − k 2 [ES] dt k1 [E][S] = ( k −1 + k 2 )[ES] k1 [E][S] [ES] = ( k −1 + k 2 ) Altre Considerazioni I valori reali di [E] e [S] sono molto difficili da misurare. In realtà si conosce solo [E]0 e [S]0 [E]0 = [E] + [ES] → [E] = [E]0 − [ES] La parte di S che è in forma ES è molto più piccola della concentrazione totale [S]0 : [S]0 = [S] + [ES] ≈ [S] Ulteriori considerazioni [ES] = [ES] = k1 [E][S] , ( k −1 + k 2 ) [E] = [E]0 − [ES] [ES] = k1 ([E]0 − [ES]) [S] ( k −1 + k2 ) ⎛ d[P] ⎞ ⎟ = k2 [ES] ⎝ dt ⎠t=0 υ0 = ⎜ k2 = kcat [E]0 ⎛ ( k −1 + k 2 ) ⎞ ⎜1 + ⎟ k [S] 1 ⎝ ⎠ Equazione di Michaelis-Menten υ0 = k2 [ES] = k2 [E]0 ⎛ ⎛ k−1 + k2 ⎞ 1 ⎞ ⎜⎜1 + ⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎝ ⎝ k1 ⎠ [S] ⎠ υmax = kcat[E]0 = k2[E]0 υ0 = υmax ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ k−1 + k2 ⎞ KM = ⎜ ⎟ k 1 ⎝ ⎠ La costante di Michaelis KM : legata alla stabilità di ES Equazione di Michaelis-Menten υ0 = υmax ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ , ⎛ k−1 + k2 ⎞ KM = ⎜ ⎟ k 1 ⎝ ⎠ (KM : Moli) Le proprietà osservate sperimentalmente si spiegano bene con il modello di Michaelis-Menten: (a) Quando KM è piccola: k1 > (k-1 + k2 ) e (ES) è più stabile (il legame enzima – substrato è più forte). E’ l’opposto quando KM è grande (k1 < (k-1 + k2 ). Equazione di Michaelis-Menten (b) Quando [S] è piccolo: KM/[S] >> 1: υ0 = υmax ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ ≈ υmax υmax [S] KM [S] = KM ≡ k[S] (primo ordine) k = υmax /KM = costante per una data [E0]. Equazione di Michaelis-Menten υ0 = υmax ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ (c) Quando KM/[S] << 1 → υ0 = υmax : υmax non dipende che da [E]0 (d) Quando [S] = KM , l’equazione di Michaelis diventa : 1 υ0 = υmax 2 Si può stimare KM da un grafico cinetico: determinare υmax e il valore di [S] che corrisponde a υmax /2 . L’equazione di Michaelis-Menten in forma di grafico lineare Grafico di Lineweaver – Burk: υ0 = υmax ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ 1 υ0 = 1 + KM υ max υ max 1 [S] Un grafico di 1/υ0 in funzione di 1/[S] produce un retta con una pendenza = KM/υmax e un valore all’origine = υmax-1 Conclusioni (sull’equazione di Michaelis-Menten) υ0 = υmax 1 ⎛ KM ⎞ ⎜1 + [S] ⎟ ⎝ ⎠ υ0 = 1 + KM υ max υ max 1 [S] I valori importanti : (a) la costante catalitica kcat = k2 ; (b) la costante di Michaelis KM → la stabilità di ES. (c) υmax = kcat[E]0 = k2[E]0 Inibizione Competitiva Inibitore (I): una sostanza con una struttura simile a quella del substrato → occupa il sito attivo dell'enzima. La costante di specificità : kspec = kcat/KM Se si hanno due substrati A e B in competizione per lo stesso sito attivo, il rapporto tra le velocità si ricava da : υ A ( kspéc ) A [A] = υ B ( kspéc ) B [B] Inibizione Competitiva E+S ES → E + P E+I EI [E]0 = [E] + [ES] + [EI] KI = ⎛ [I] ⎞ [E]0 = [E] ⎜1+ ⎟ + [ES] ⎝ KI ⎠ [E][I] [EI] Inibizione Competitiva υo = k2 [ES]: υ0 = υmax ⎛ K'M ⎞ ⎜1 + ⎟ [S] ⎝ ⎠ ⎛ [I] ⎞ K = K M ⎜1 + ⎟ K I ⎠ ⎝ ' M La nuova costante K’M tiene conto dell’influenza di I sulla cinetica enzimatica: Quando [I] è grande o quando KI è piccola, la costante K’M diventa più grande di KM → destabilizzazione del complesso (ES) a seguito della presenza dell’inibitore. Conclusioni Inibizione Competitiva υmax non è influenzata dall’inibizione competitiva: quando [S] >> [I] la maggioranza dei siti attivi è occupata da S. 1 La concentrazione [S] che corrisponde a υ0 = υmax è più 2 alta a seguito della presenza dell’inibitore competitivo . Inibizione competitiva: υmax non varia KM varia verso K’M Inibizione Non-Competitiva Un inibitore può legarsi in un punto diverso dal sito attivo: il substrato S non è più in concorrenza con l’inibitore I per lo stesso sito attivo. Se una molecola di E è impegnata nella forma (EI) essa diventa inattiva: υmax diminuisce in funzione della percentuale dell’enzima che viene perso sotto forma (EI). Conclusione La costante di Michaelis KM dipende dalla cinetica legata al sito attivo : KM non sarebbe influenzato dall’influenza di un inibitore non–competitivo. Inibizione non–competitiva: υmax varia KM non varia Inibizione competitiva: υmax non varia KM varia verso K’M Catalisi Eterogenea FASE 1 Condensata FASE 2 Gassosa zona di discontinuità : forti interazioni tra particelle nella fase condensata e con il gas Adsorbimento : fenomeno di concentrazione di particelle sulle superfici di discontinuità tra fasi condensate e gas (o liquidi) a causa del campo generato dagli atomi superficiali e non compensato dall’altra fase. ΔH°< 0 (esotermico) ΔS°> 0 (ordinante) Strato o strati di molecole adsorbite sulla superficie Adsorbimento Fisico e Chimico Adsorbimento fisico Asorbimento chimico Calore di ads. < 40 kJ mol-1 Non esiste Eatt. nel processo Implica multistrati di adsorbato Apprezzabile solo sotto b.p. adsorbato • La quantità di adsorbato è più funzione dell’adsorbato che dell’assorbente • L’adsorbato aumenta ad ogni aumento di pressione dell’adsorbato in fase gas • Calore di ads. > 80 kJ mol-1 • Si può avere Eatt. nel processo • Implica al massimo uno strato di adsorbato • Può avvenire anche ad alte Temperature • La quantità di adsorbato è caratteristica sia dell’adsorbente che dell’adsorbato • L’adsorbato diminuisce ad ogni aumento di pressione dell’adsorbato in fase gas • • • • N H N H H O H O C H H H H C O Area Superficiale, Matrici Catalitiche e Catalizzatori superficie esposta particella con bassa area superficiale Materiale compatto, cristalli formati particella con alta area superficiale Materiale molto poroso, da “gel” Catalizzatori Processi • Gel di silice e allumina • Gel di ossido di cromo, cromo su allumina, nichel su allumina • Acido fosforico su gel di silice • Co, ThO2, MgO su gel di silice • Ferro poroso • Pentossido di vanadio • Platino su carbone • Al(C2H5)3 , TiCl4 • Cracking del petrolio (fraz. alte) • Idrogenazione e deidrogenazione di idrocarburi • Polimerizzazione di alcheni (C=C) • Sintesi di idrocarburi da CO e H2 • Sintesi dell’ammoniaca • Processo a contatto per H2SO4 • Idrogenazioni, Isomerizzazioni • Polimerizzazioni di olefine Misure di Adsorbimento Isoterma di adsorbimento moli gas P, atm termostato P/Vads Ipotesi : monostrato e uguale velocità di evaporazione e di condensazione sulla superficie. La velocità di evaporazione è proporzionale alla frazione di superficie coperta Diagramma di Langmuir Teoria dell’Adsorbimento di Langmuir (1916) Velocità di adsorbimento rad = α p (1 − θ ) Velocità di desorbimento rdes = α 'θ p= pressione θ = copertura N θ= NM Le velocità sono uguali all’equilibrio, con b = α'/ α NM p N= b+ p Isoterma di Langmuir I. Langmuir, J. Am .Chem. Soc. 38 (1916) 2221 Il Metodo BET (1938) ¬ Isoterma BET- 1938 - Brunauer, Emmett, Teller multistrati: 1° strato chimiassorbimento, altri fisiassorbimento. (A) nad/nm P / P0 1 C −1 P = + n(1 − P / P0 ) nmC nmC P0 (B) ¬ importante per misure di area superficiali per fisiassorbimento p/p0 He N2 Dove Gas Mixer TCD heated Cold trap Liquid nitrogen P : Pressione parziale P0 : Tensione di vapore n : mole di gas adsorbito nm : equivalente molare di un monostrato Catalisi Eterogenea reazione in fase gas energia Ea E a‡ adsorbimento ΔH reazione reazione catalitica desassorbimento Curva a Vulcano T, K Pt Ru Pd 400 Rh Cu a HCOOH Ir Ag H2 + CO2 Co 500 Fe W Au 600 60 80 100 120 -ΔHf formiato, kcal/eqiv. Principio di Sabatier : curve a vulcano Tv/K. La temperatura a cui la velocità di decomposizione dell’acido formico (asse verticale) assume un certo valore v, correlata con il calore di formazione del formiato metallico, in kcal per equivalente (asse orizzontale). Adsorbimento su Facce di Cristalli Tecniche Cinetiche Veloci (per analisi di intermedi di reazione) • • • • • • Tecniche spettroscopiche fotoniche (IR) o magnetiche (ESR o NMR) Tecniche a flusso Fotolisi a lampo (multifotonica o laser) Radiolisi pulsata (raggi g o X) Tecniche di perturbazione dell’equilibrio (jump) Tecniche elettrochimiche Pulse Radiolysis Lampo spettroscopico γ 1 MeV X Cella di reazione Flash photolysis UV visibile 10-5 s, 2000 J Rivelatore risoluzione temporale = 10-9 s Reazioni Fotochimiche a) - Reazioni fotoiniziate (moli prodotto > moli fotoni usati) H2 + Cl2 f 2 HCl ΔG°= - 95.26 kJ mol-1 reazione spontanea catena (pot. esplosiva) b) - Reazioni fotochimiche (moli prodotto e moli fotoni usati) Fotosintesi clorofilliana n CO2 + n H2O + n hν f (CH2O)n + n O2 ; ΔG°= + 476.5 kJ mol-1 (n=1) reazione non spontanea Trasforma energia luminosa in energia chimica : prodotti (CH2O)n zuccheri e O2 ossidante essenziale alla vita di piante ed animali. Clorofilla : pigmento verde contenente magnesio che nel sistema cloroplasto (antenne biologiche in grado di accumulare la luce) delle piante verdi è in grado di effettuare tale conversione con una efficienza del 92-95 %. Reazioni Radicaliche a Catena HH2 ++ Cl Cl22 → → 22HCl HCl 2 Iniziazione Cl2 f 2 Propagazione Cl• Cl2 CI• Ri + H2 f HCl + H• + Cl2 f HCl + Cl• H• Terminazione H• + H• f H2 Cl• + Cl• f Cl2 H• + Cl• f Cl2 Cl HCl . kCl Cl2 H2 kH . H HCl kt Terminazione (H2, Cl2, HCl) In. : hν (fotoiniziazione) R-N=N-R (iniziazione termica) Fe o Red. (iniziazione redox) kt Å 109 M-1s-1 Cinetica Autossidazione di Idrocarburi (R-H) A basse temperature i composti a legami C-H (idrocarburi) subiscono l’attacco spontaneo da parte dell’ossigeno a dare soprattutto idroperossidi con inserzione di O2 sul legame C-H. R-H + O2 → R-O-O-H Meccanismo O2 Iniziazione In. f N2 + 2 f 2 I-O-O. IOO. + R-H f IOOH + R. Propagazione R. + O2 f ROO. ka Å 109 M-1s-1 ROO. + R-H f ROOH + R. I. Ri kp Terminazione ROO. + ROO. f Prodotti non radicalici kt