Reazione chimica

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Velocità e meccanismi di reazione

Alcune reazioni, come le esplosioni, avvengono molto rapidamente, mentre altre, come la formazione della ruggine, richiedono molto tempo. Secondo la cinetica chimica, che studia le velocità di reazione, perché una reazione avvenga si devono verificare tre condizioni: i reagenti devono collidere; devono avere orientamento ed energia adeguati a formare uno stato di transizione; devono essere in grado di convertire tale stato in prodotto. La reazione è veloce solo se le tre condizioni vengono soddisfatte con facilità.

La velocità di una reazione può essere aumentata con la presenza di un catalizzatore, che diminuisce l’energia di attivazione necessaria a raggiungere lo stato di transizione. I catalizzatori rimangono inalterati durante le reazioni e sono quasi sempre impiegati in minime quantità. Un esempio di reazione che richiede la presenza di un catalizzatore è l’esplosione di una miscela di idrogeno e ossigeno a temperatura ambiente. Questo processo non avviene finché la miscela non è posta a contatto con platino in polvere, che funge da catalizzatore, ricoprendosi di ossigeno e provocando un riorientamento delle molecole, in modo da farle reagire più velocemente con l’idrogeno. La reazione di esplosione libera acqua e rigenera il catalizzatore.

La velocità di reazione può essere modificata non solo da un catalizzatore, ma anche da variazioni di temperatura e concentrazione. Alzando la temperatura, l’energia cinetica delle molecole dei reagenti aumenta, facendo aumentare il numero e l’energia delle collisioni e, di conseguenza, la probabilità di raggiungere lo stato di transizione. Anche l’aumento di concentrazione, rendendo più frequenti le collisioni tra molecole, accelera le reazioni.

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Equilibrio chimico

Al procedere di una reazione, la concentrazione dei reagenti e, di conseguenza, la velocità di reazione diminuiscono; contemporaneamente, aumenta la concentrazione dei prodotti e diventa sempre più probabile la loro collisione, che porta a riformare i reagenti. Quando la velocità di reazione inversa eguaglia quella della reazione diretta si arriva allo stato di equilibrio chimico.

La perturbazione di un sistema all’equilibrio è regolata dal principio di Le Châtelier (dal nome del chimico francese Henri-Louis Le Châtelier); secondo tale principio, se si provoca una variazione in un sistema in equilibrio, quest’ultimo evolve in modo da neutralizzare il più possibile la variazione. In una situazione di equilibrio, l’aumento della temperatura provoca una transizione verso la fase endotermica, mentre una diminuzione della temperatura sposta il sistema in direzione esotermica. In una reazione in cui si formano prodotti gassosi, un aumento della pressione esterna favorisce piuttosto una diminuzione del volume, e quindi l’andamento in senso opposto; l’aumento di concentrazione di un reagente sposta la reazione verso destra, in modo che la sostanza aggiunta venga consumata, ma se la sua concentrazione diminuisce, la reazione si sposta nella direzione opposta.

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Sintesi chimiche

I due scopi principali della sintesi chimica sono la creazione di nuove sostanze chimiche complesse e lo sviluppo di metodi più semplici ed economici per sintetizzare sostanze già presenti in natura. Spesso è sufficiente purificare una sostanza presente in natura per ottenere un importante elemento chimico o per migliorarne l’utilizzo come elemento di partenza per nuovi processi di sintesi. Molti farmaci vengono prodotti per via semisintetica: a partire, cioè, da sostanze naturali. Sono ormai conosciuti più di 11 milioni di composti chimici e si calcola che ne vengano sintetizzati circa 2000 nuovi ogni giorno. Prima di essere messa in commercio, ogni sostanza viene studiata a lungo, per verificarne l’eventuale tossicità sull’uomo, gli animali e l’ambiente.

Per lungo tempo la sintesi chimica non era condotta in modo rigoroso e la scoperta di gran parte dei nuovi composti avveniva casualmente. Grazie all’ampliarsi delle conoscenze e allo sviluppo delle tecnologie, oggi è possibile sintetizzare in laboratorio molte sostanze naturali e progettare nuovi medicinali o materiali (per costruzione, ad esempio, o combustibili) che soddisfino particolari esigenze; inoltre è possibile prevedere al computer il comportamento chimico di una nuova molecola e i suoi effetti a lungo termine sull’uomo o sull’ambiente. La determinazione della struttura di un numero sempre più grande di sostanze e la comprensione della relazione tra la struttura molecolare e le diverse proprietà dei composti hanno permesso di progettare nuove molecole, modulandone le caratteristiche e variando le strutture in senso mirato.

Le moderne penicilline sono modificazioni sintetiche della struttura della penicillina naturale, la sostanza scoperta dal batteriologo britannico Alexander Fleming. Oggi inoltre, grazie all’ingegneria genetica, è possibile sintetizzare ormoni, enzimi e acidi nucleici identici a quelli prodotti dalle cellule degli organismi viventi, rendendo possibile la cura di numerose malattie.

Uno dei più grandi e recenti successi della sintesi biochimica è l’utilizzo ormai abituale di microrganismi, quali lieviti, batteri e muffe, per produrre sostanze di interesse biologico. Ad esempio, la specie batterica Escherichia coli viene usata per produrre l’insulina umana, mentre alcuni ceppi di lievito vengono impiegati per ottenere etanolo.