05x03 - Catalizzatori e reazioni chimiche

Catalizzatori e
reazioni chimiche

​Lezione creata dal prof P. B. Giandonato @profgiando
Immagini credits Zanichelli ed.

I catalizzatori

Moltissime reazioni di combustione a temperatura ambiente non avvengono, a causa della loro elevata energia di attivazione.
Ma basta una scintilla per innescarle in modo esplosivo, come avvenne al dirigibile Hindenburg, pieno di idrogeno, nel 1937.
La reazione di combustione tra idrogeno e ossigeno può avvenire anche a temperatura ambiente, se una miscela dei due gas viene fatta passare su una superficie di platino.

I catalizzatori

I materiali che aumentano la velocità di una reazione anche se non entrano nella composizione dei prodotti si chiamano catalizzatori. Quando il catalizzatore si trova allo stato solido e i reagenti sono liquidi o gassosi si parla di catalisi eterogenea.
Se invece catalizzatore e reagenti sono nello stesso stato fisico si parla di catalisi omogenea.

Esistono anche sostanze che rallentano la velocità delle reazioni, come per esempio alcuni conservanti negli alimenti; queste sostanze di solito vengono chiamate inibitori.

Il meccanismo di reazione

Molte reazioni chimiche avvengono con meccanismi complessi, in diverse fasi, soprattutto se coinvolgono più di 2 molecole, come nel caso della reazione tra ossido di azoto e ossigeno:

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

Un urto simultaneo tra 3 molecole,
2 di NO e 1 di O₂ è piuttosto improbabile,
pertanto la reazione deve necessariamente
svolgersi in più fasi intermedie.

Il meccanismo di reazione

II primo stadio della reazione porta alla formazione di una specie chimica intermedia instabile NO₃ che, nel secondo stadio, urta e reagisce con una molecola di NO, formando le molecole di NO₂.
La serie di trasformazioni che portano alla formazione dei prodotti finali di una reazione chimica è il meccanismo di reazione.

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I catalizzatori e il meccanismo di reazione

In una reazione catalizzata i reagenti a contatto con il catalizzatore danno una sequenza di reazioni più o meno complessa che porta alla formazione dei prodotti e lascia inalterato il catalizzatore. Per esempio, come avviene la reazione di sintesi dell'ammoniaca:

I catalizzatori e il meccanismo di reazione

Il ruolo dei catalizzatori nelle reazioni è modificare il meccanismo di reazione, ovvero l'abbassamento dell'energia di reazione, velocizzando la reazione stessa.
In figura vengono messe a confronto le Ea delle reazioni catalizzata e non catalizzata. In entrambi i casi l'effetto energetico ΔE rimane invariato.

I catalizzatori in biologia: gli enzimi

Gli enzimi sono un tipo di proteine che facilitano le reazioni metaboliche nelle cellule, che così possono avvenire a temperature basse. Presentano una cavità chiamata sito attivo capace di accogliere in modo selettivo le molecole che devono reagire (chiamate substrato). Una volta combinata con il sito attivo, la molecola reagisce e si trasforma: le molecole dei prodotti abbandonano il sito attivo che può quindi accogliere una nuova molecola di substrato.

​II meccanismo è analogo a quello chiave-serratura. La molecola «chiave» reagisce solo se si trova nel sito attivo del suo enzima «serratura».

I catalizzatori in biologia: gli enzimi

Nel grafico a fianco viene mostrata l'energia di attivazione di una reazione non catalizzata, in genere molto alta e che quindi non può avvenire a temperature basse o comunque non facilmente.

In presenza di un enzima, la stessa reazione può avvenire a temperature più basse perché il complesso enzima + reagente (E+R) abbassa l'energia di attivazione Ea consentendo alla reazione di avvenire più facilmente.

Multiple Choice

Il catalizzatore prende parte attiva alla reazione chimica

• Vero

• Falso

Multiple Choice

Il catalizzatore rimane inalterato al termine di una reazione chimica

• Vero

• Falso

Multiple Choice

Il catalizzatore può essere riutilizzato più volte dopo una reazione chimica

• Vero

• Falso

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Il ruolo dei ​

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Multiple Choice

Grazie ai catalizzatori, l'energia di attivazione nelle reazioni

• si alza

• si abbassa

• rimane invariata

Multiple Choice

L'effetto energetico ΔE delle reazioni, in presenza di catalizzatori:

• è maggiore

• è minore

• rimane invariato

Multiple Choice

Che tipo di molecole sono gli enzimi?

• carboidrati

• lipidi

• proteine

• acidi nucleici