Concetti Fondamentali di Termodinamica Chimica

Bene, chimica inorganica lezione 7. In questa lezione affronteremo alcuni concetti inerente alla termodinamica chimica. Chiariamo subito che questi concetti verranno trattati in maniera più concettuale e meno matematica, proprio perché la nostra trattazione è una preparazione al corso successivo di biologia che quindi esula da una trattazione approfondita a livello matematico. Partiamo quindi con alcuni concetti generali. Innanzitutto, ogni volta che una reazione avviene, avviene all'interno di una provetta o all'interno di un qualche supporto. Questo è il sistema, cioè è il punto, il luogo in cui avviene la reazione. Il sistema però non è isolato dal resto del mondo, anzi, è immerso nell'ambiente e con questo ambiente scambia. energia, calore. Pensiamo ad esempio a una reazione che liberi dei gas. Questa reazione inevitabilmente parte dal sistema ma invade l'ambiente oppure anche una reazione stessa può prendere l'energia che gli serve dall'ambiente quindi sono separati ma allo stesso tempo intimamente collegati. L'insieme del sistema e dell'ambiente forma l'universo. Le reazioni chimiche possono essere descritte utilizzando delle coordinate energetiche, cioè dei valori, delle misurazioni, che ci permettono di studiare l'andamento energetico delle reazioni. Innanzitutto è opportuno chiarire un concetto. L'energia esiste all'interno del pianeta e dell'universo sotto varie forme. Ad esempio c'è l'energia che viene dal calore del sole, o l'energia contenuta a livello dei legami chimici, oppure semplicemente... l'energia liberata dalla combustione della benzina o di altri combustibili. Sia però l'energia termica, quella chimica, che quella della combustione, sono comunque energia. Cioè è vero che sono diversi tipi di energia, ma sono comunque tutte quante energia. E come tale queste godono di una particolare caratteristica, che si conservano fra di loro. Cioè l'energia non viene mai distrutta, non viene mai sprecata, ma tutta... tutte le altre forme di energia si interconnettono fra di loro. Facciamo un esempio pratico. Se una pentola dell'acqua messa sul fuoco, il fuoco è energia termica. Questa energia termica viene trasferita alla pentola e in particolare alle molecole dell'acqua. Quell'energia termica che viene trasferita adesso diventa energia di agitazione molecolare, quindi non è stata persa ma si è soltanto trasformata in un altro tipo di energia. l'energia totale comunque rimane sempre quella. Tenendo conto adesso di questa principale caratteristica, esaminiamo quali sono le caratteristiche e le coordinate per l'appunto di una reazione chimica. Un primo valore che dobbiamo analizzare è l'entalpia di legame. Ogni molecola infatti possiede al suo interno un'energia che viene appunto chiamata entalpia. Questa entalpia è dovuta sostanzialmente a tre fattori. Un primo fattore è rappresentato ai legami chimici. Sappiamo appunto che i legami sono vere e proprie forme di energia, tant'è che spesso la loro rottura causa liberazione di energia, talvolta importante, come ad esempio nel caso dell'ATP. Ma non è soltanto il legame chimico a determinare l'entalpia, essa è determinata anche dalla temperatura a cui le molecole si trovano. e dalla pressione che agisce su queste molecole. Tuttavia per semplificare, dato che le reazioni solitamente vengono fatte avvenire alle stesse temperature e alla stessa pressione, possiamo dire che per pressione e temperatura costanti l'entalpia è semplicemente l'energia di legame. Quindi i reagenti avranno un determinato grado di entalpia, così come anche i prodotti. Tuttavia valutare l'entalpia dei reagenti e quella dei prodotti singolarmente è alquanto complicato, per questo si preferisce valutare il ΔH, cioè la variazione di entalpia, dove definiamo la variazione di entalpia come la differenza tra l'entalpia dei prodotti e l'entalpia dei reagenti. L'entalpia, adesso il ΔH, può essere quindi o minore di 0 o maggiore di 0. Se è minore di 0 cosa succede? Succede che l'equazione precedente HP-HR dà come risultato un valore negativo. Quindi necessariamente HR che sta dopo il meno deve avere un valore più alto di HP. Questo significa che nel passaggio dai reagenti ai prodotti i prodotti si trovano ad avere all'interno del loro legame un'energia minore. Quindi dato che tutta l'energia si conserva, quella che era l'energia dei legami dei reagenti in parte va ai prodotti. e in parte viene persa sotto forma di calore o sotto forma di un'altra forma energetica. Per questo le reazioni che hanno un ΔH minore di 0 sono reazioni esotermiche o anche dette esoergoniche, cioè che liberano una forma di energia, solitamente appunto il calore. Nel caso contrario invece in cui il ΔH è maggiore di 0 significa che HP-HR dà un valore maggiore di 0. e che quindi HP è maggiore di HR, cioè i prodotti hanno al loro interno un'energia superiore a quella dei reagenti. Questo significa che i reagenti hanno dovuto assumere energia in un altro modo, quindi o dall'esterno, o quindi direttamente dall'esterno, oppure mediante altri meccanismi, in modo tale da portare i prodotti a un grado di entalpia. In questo caso la reazione viene detta appunto endoergonica o anche endotermica. Secondo parametro da valutare, l'entropia. L'entropia viene definita come il grado di disordine del sistema. Capiamolo con un esempio. Supponiamo di avere l'NACL in forma solida, quindi ad esempio sotto forma di cristallino. L'NACL possederà un certo... grado di disordine che viene indicato come S dei reagenti. Quando sciogliamo la NaCl in acqua il suo grado di disordine aumenta perché le particelle non sono più attaccate fra di loro ma tendono ad essere sparse all'interno della soluzione acquosa. Per questo tra virgolette sono più disordinate. Se andiamo a valutare la delta S cioè la differenza in entropia possiamo fare S dei prodotti meno S dei reagenti quindi la delta S ci dà un'informazione circa il grado di disordine che ha portato la reazione. Solitamente nelle reazioni che avvengono in maniera isolata e spontanea, delta S è maggiore di 0. Quindi si vede che il grado di disordine dei prodotti tende sempre ad essere maggiore di quello dei reagenti e quindi delta S è maggiore di 0. Tuttavia in alcuni casi, in alcune condizioni, si può anche avere un delta S minore di 0 e quindi costringere il sistema a passare da uno stato più disordinato ad uno stato più ordinato. Terzo parametro, l'energia libera di Gibbs. Questo parametro in realtà non è un parametro nuovo, ma è un parametro che mette in relazione l'entalpia e l'entropia. Gibbs elaborò questa formula sia per i reagenti che per i prodotti. Cioè, introdusse il concetto di energia libera, indicata con G. Defini questa energia libera come l'energia di legame, quindi l'entalpia, meno la temperatura a cui avviene la reazione, che moltiplica l'entropia. Se ci pensiamo, questo, a livello matematico, ha senso, perché è come se andassimo a fare una somma delle energie che possiedono i reagenti, e quindi anche i prodotti. prodotti perché HR sarà l'energia contenuta nei legami, SR sarà il grado di entropia. Ovviamente SR sarà correlata alla temperatura perché se aumentiamo la temperatura inevitabilmente andiamo anche ad aumentare il grado di entropia perché diamo alle particelle più energia per potersi muovere fra di loro. Anche qui però la formula più usata è la variazione, quindi viene calcolata una reazione chimica, la variazione di energia libera, definita come la variazione di entalpia, meno la temperatura che misura la variazione di entropia. La ΔG è molto importante perché ci permette di stabilire la spontaneità di una reazione. Una reazione che abbia ΔG minore di 0 è una reazione che avviene a livello spontaneo. questo lo possiamo dedurre già dalla formula stessa per avere ΔG minore di 0 dobbiamo avere ΔH minore di 0 e ΔH minore di 0 si ha nel momento in cui i reagenti hanno già una quota di energia per formare i prodotti quindi non hanno bisogno di avere altra energia dall'esterno e ΔS deve essere maggiore di 0, perché in questo modo se ΔS è maggiore di 0, moltiplicando il meno che c'è davanti alla T diventa minore di 0. In questo modo la ΔS è una spinta verso la spontaneità, quindi una spinta verso a far avvenire la reazione in maniera spontanea. Viceversa, se ΔG è maggiore di 0, allora la reazione non è spontanea. ΔG minore di 0 lo possiamo avere in vari casi, se ΔH è maggiore di 0, e quindi questo significa che bisogna prendere energia dall'esterno per far avvenire la reazione. Oppure se ΔS è minore di 0, in quel caso significa che bisogna... andare a fornire energia per far passare il sistema da uno stato disordinato a uno stato più ordinato. In realtà questi sono degli stati limite perché poi ci sono degli stati intermedi in cui ad esempio ΔH può essere minore di 0, però ΔS può essere maggiore di 0 ma non tanto da compensare ΔH e quindi in questo modo poi si vengono a creare degli stati intermedi diciamo di varia natura. La cosa però importante da ricordare è che il ΔG non è il ΔH. Il delta H ci fornisce solo informazioni sulla dinamica del calore nei legami, quindi se c'è perdita di energia o assunzione di energia. Quindi associare il concetto di esergonico a spontaneo è un concetto... Diciamo profondamente sbagliato. Prendiamo un caso semplice, la dissoluzione dello zucchero ad esempio all'interno di un caffè o di una bevanda calda. Lo zucchero si scioglie in maniera spontanea, quindi avrà quella reazione 1ΔG-0. Tuttavia lo zucchero prende calore dal sistema, quindi è una reazione endoergonica con ΔH-0. Vediamo che quindi i due parametri non sono assolutamente sovrapponibili. C'è un ultimo parametro poi molto importante per descrivere una reazione chimica. Si tratta dell'energia di attivazione indicata come G con due più all'apice. Per capire cos'è partiamo sempre da un esempio. Supponiamo di avere l'ammoniaca che reagisce con l'acqua. Una reazione che dà ammonio e OH. Questo nel grafico è l'andamento nel tempo della reazione in riferimento alle variazioni di energia libera di Gips. Possiamo notare quindi che la reazione in un primo momento tende ad avere un aumento di energia. Questo perché? Perché i reagenti prima di poter reagire fra di loro hanno bisogno di allinearsi fra di loro. e quindi questo allineamento deve comportare da un lato un calo dell'entropia e quindi questo è un processo sfavorito perché ovviamente farsare due molecole vicine è molto più difficile che tenerle separate e ovviamente questa energia poi servirà a orientarli nel modo giusto in modo tale che poi i gruppi possano reagire fra di loro senza che però questa energia ci sia non può avvenire la reazione per questo questa variazione di energia viene detta energia di attivazione ed è indispensabile per una reazione cioè rappresenta quello scalino che i reagenti devono superare affinché poi avvenga la trasformazione in prodotti. Se abbiamo una reazione in cui o la delta G di attivazione oppure la delta G tra i prodotti reagenti è alta quindi non è irrilevante ma abbastanza rilevante allora verosimilmente quella reazione sarà una reazione irreversibile perché perché ovviamente i reagenti dopo che passano in prodotti hanno uno squilibrio energetico troppo alto per poter ripassare i reagenti cioè mentre nel primo caso per salire dai reagenti all'energia di attivazione il percorso è relativamente breve I prodotti per arrivare al picco dell'energia di attivazione devono fare un percorso energetico molto più lungo che verosimilmente non faranno. Per questo una volta che la reazione avviene tende a rimanere verso i prodotti e quindi abbiamo uno squilibrio di concentrazioni verso i prodotti e quindi si parla di reazione irreversibile. In realtà quando parliamo di reazione irreversibile bisogna comunque stare attenti attenti perché ogni reazione chimica è comunque un equilibrio dinamico, cioè la reazione non è che una volta che avviene si ferma, i reagenti si trasformano in prodotti ma poi comunque anche i prodotti possono tornare reagenti, sempre però in una minima parte. Nel caso delle reazioni irreversibili il concetto viene esemplificato dicendo che nessun reagente poi diventa prodotto, ma in realtà rimane sempre una minima concentrazione di prodotti che torna a essere reagente. perché appunto per una serie di motivi termodinamici alcuni prodotti possono avere l'energia tale per tornare reagenti. Però ovviamente il rapporto fra prodotti e reagenti sarà nettamente a favore dei prodotti e quindi ci sarà uno squilibrio comunque dinamico. Ci sono invece reazioni come ad esempio la reazione dell'ossido di nickel. con il monossio di carbonio, per dare l'idea di carbonica e nichel libero, che avvengono con un'energia di attivazione relativamente bassa, quindi non hanno una grande energia di attivazione. E inoltre il grado di differenza tra l'energia libera dei reagenti e quella dei prodotti, quindi il delta G, è minimo. Non diciamo uguale a zero perché in quel caso la situazione sarebbe diversa, però diciamo è molto piccolo. il grado di differenza. In questi casi la reazione tende ad essere reversibile. Perché? Perché ovviamente i reagenti avranno un minimo scalino da superare per diventare prodotti e i prodotti potranno tornare facilmente reagenti. Qui vale lo stesso discorso degli irreversibili. C'è sempre un equilibrio però negli irreversibili l'equilibrio era spostato verso i prodotti. Qui invece esattamente al centro. Quindi avremo reagenti che si convertono in prodotti nella stessa... proporzione con cui i prodotti tornano ad essere reagenti e quindi c'è un equilibrio dinamico. Prima era uno squilibrio, adesso è un equilibrio. L'energia di attivazione ci permette di capire il funzionamento degli enzimi. Gli enzimi non sono altro che dei... tra virgolette macchinari biologici che riescono ad accelerare le reazioni andando ad agire proprio sull'energia di attivazione. Facciamo un esempio pratico. L'esempio dell'acqua che reagisce con l'anidride carbonica per dare il bicarbonato. Questa è una reazione che avviene normalmente nel nostro organismo. Vediamo com'è l'andamento energetico della reazione non catalizzata. L'enzima che la catalizza è l'anidrazica carbonica. senza l'anidrasi carbonica la reazione ha questo andamento quindi vediamo che l'energia di attivazione è molto alta quindi verosimilmente i reagenti avranno difficoltà a superare quello scalino per diventare prodotti e soltanto una piccola parte di quei reagenti effettivamente diventeranno prodotti in queste condizioni quindi la reazione è lenta Non è che non avviene, attenzione, avviene lo stesso, però avviene a una velocità molto bassa, proprio perché i reagenti solo in rari casi riescono a superare la barriera e diventare prodotti. L'anidrasi carbonica cosa fa? Abbassa l'energia di attivazione. Abbassando l'energia di attivazione della reazione va quindi a favorire il passaggio dei reagenti a prodotti. Ovvero aumenta la velocità della reazione. Quindi gli enzimi cosa fanno nel nostro organismo? Vanno a velocizzare delle reazioni che normalmente avverrebbero in un tempo molto ma molto più lungo e questo è essenziale per dare al nostro organismo tutti gli elementi di cui ha bisogno. Ma come fa però l'enzima ad abbassare l'energia di attivazione? L'energia di attivazione viene persa, dato che comunque l'energia si conserva sempre, abbiamo detto, perché si formano dei legami fra l'enzima e i reagenti. Cioè l'enzima va a legare i reagenti e in quel legame immagazzina una quota di energia. Questi legami sono solitamente interazioni deboli che debbono permettere all'enzima di rilasciare quei prodotti una volta che si sono formati. Però quelle interazioni deboli, dato che avvengono in maniera numerosa nella tasca catalitica dell'enzima, permettono di abbassare l'energia di attivazione che però non viene persa, viene immagazzinata nell'energia dei legami che si formano. Quella energia di attivazione abbassata quindi permette all'enzima di regolare l'orientamento dei reagenti, di farli incontrare più semplicemente e quindi di far avvenire la reazione più velocemente. Quindi anche se dal grafico emerge che c'è una diminuzione dell'energia di attivazione bisogna comunque tener conto che quell'energia di attivazione non viene assolutamente persa, viene immagazzinata come energia di legame che favorisce l'incontro fra i gruppi che devono reagire dei reagenti.

Il sistema però non è isolato dal resto del mondo, anzi, è immerso nell'ambiente e con questo ambiente scambia. energia, calore. Pensiamo ad esempio a una reazione che liberi dei gas. Questa reazione inevitabilmente parte dal sistema ma invade l'ambiente oppure anche una reazione stessa può prendere l'energia che gli serve dall'ambiente quindi sono separati ma allo stesso tempo intimamente collegati.

L'insieme del sistema e dell'ambiente forma l'universo. Le reazioni chimiche possono essere descritte utilizzando delle coordinate energetiche, cioè dei valori, delle misurazioni, che ci permettono di studiare l'andamento energetico delle reazioni. Innanzitutto è opportuno chiarire un concetto.

L'energia esiste all'interno del pianeta e dell'universo sotto varie forme. Ad esempio c'è l'energia che viene dal calore del sole, o l'energia contenuta a livello dei legami chimici, oppure semplicemente... l'energia liberata dalla combustione della benzina o di altri combustibili.

Sia però l'energia termica, quella chimica, che quella della combustione, sono comunque energia. Cioè è vero che sono diversi tipi di energia, ma sono comunque tutte quante energia. E come tale queste godono di una particolare caratteristica, che si conservano fra di loro.

Cioè l'energia non viene mai distrutta, non viene mai sprecata, ma tutta... tutte le altre forme di energia si interconnettono fra di loro. Facciamo un esempio pratico.

Se una pentola dell'acqua messa sul fuoco, il fuoco è energia termica. Questa energia termica viene trasferita alla pentola e in particolare alle molecole dell'acqua. Quell'energia termica che viene trasferita adesso diventa energia di agitazione molecolare, quindi non è stata persa ma si è soltanto trasformata in un altro tipo di energia. l'energia totale comunque rimane sempre quella. Tenendo conto adesso di questa principale caratteristica, esaminiamo quali sono le caratteristiche e le coordinate per l'appunto di una reazione chimica.

Un primo valore che dobbiamo analizzare è l'entalpia di legame. Ogni molecola infatti possiede al suo interno un'energia che viene appunto chiamata entalpia. Questa entalpia è dovuta sostanzialmente a tre fattori.

Un primo fattore è rappresentato ai legami chimici. Sappiamo appunto che i legami sono vere e proprie forme di energia, tant'è che spesso la loro rottura causa liberazione di energia, talvolta importante, come ad esempio nel caso dell'ATP. Ma non è soltanto il legame chimico a determinare l'entalpia, essa è determinata anche dalla temperatura a cui le molecole si trovano.

e dalla pressione che agisce su queste molecole. Tuttavia per semplificare, dato che le reazioni solitamente vengono fatte avvenire alle stesse temperature e alla stessa pressione, possiamo dire che per pressione e temperatura costanti l'entalpia è semplicemente l'energia di legame. Quindi i reagenti avranno un determinato grado di entalpia, così come anche i prodotti.

Tuttavia valutare l'entalpia dei reagenti e quella dei prodotti singolarmente è alquanto complicato, per questo si preferisce valutare il ΔH, cioè la variazione di entalpia, dove definiamo la variazione di entalpia come la differenza tra l'entalpia dei prodotti e l'entalpia dei reagenti. L'entalpia, adesso il ΔH, può essere quindi o minore di 0 o maggiore di 0. Se è minore di 0 cosa succede? Succede che l'equazione precedente HP-HR dà come risultato un valore negativo.

Quindi necessariamente HR che sta dopo il meno deve avere un valore più alto di HP. Questo significa che nel passaggio dai reagenti ai prodotti i prodotti si trovano ad avere all'interno del loro legame un'energia minore. Quindi dato che tutta l'energia si conserva, quella che era l'energia dei legami dei reagenti in parte va ai prodotti.

e in parte viene persa sotto forma di calore o sotto forma di un'altra forma energetica. Per questo le reazioni che hanno un ΔH minore di 0 sono reazioni esotermiche o anche dette esoergoniche, cioè che liberano una forma di energia, solitamente appunto il calore. Nel caso contrario invece in cui il ΔH è maggiore di 0 significa che HP-HR dà un valore maggiore di 0. e che quindi HP è maggiore di HR, cioè i prodotti hanno al loro interno un'energia superiore a quella dei reagenti. Questo significa che i reagenti hanno dovuto assumere energia in un altro modo, quindi o dall'esterno, o quindi direttamente dall'esterno, oppure mediante altri meccanismi, in modo tale da portare i prodotti a un grado di entalpia.

In questo caso la reazione viene detta appunto endoergonica o anche endotermica. Secondo parametro da valutare, l'entropia. L'entropia viene definita come il grado di disordine del sistema.

Capiamolo con un esempio. Supponiamo di avere l'NACL in forma solida, quindi ad esempio sotto forma di cristallino. L'NACL possederà un certo... grado di disordine che viene indicato come S dei reagenti.

Quando sciogliamo la NaCl in acqua il suo grado di disordine aumenta perché le particelle non sono più attaccate fra di loro ma tendono ad essere sparse all'interno della soluzione acquosa. Per questo tra virgolette sono più disordinate. Se andiamo a valutare la delta S cioè la differenza in entropia possiamo fare S dei prodotti meno S dei reagenti quindi la delta S ci dà un'informazione circa il grado di disordine che ha portato la reazione. Solitamente nelle reazioni che avvengono in maniera isolata e spontanea, delta S è maggiore di 0. Quindi si vede che il grado di disordine dei prodotti tende sempre ad essere maggiore di quello dei reagenti e quindi delta S è maggiore di 0. Tuttavia in alcuni casi, in alcune condizioni, si può anche avere un delta S minore di 0 e quindi costringere il sistema a passare da uno stato più disordinato ad uno stato più ordinato. Terzo parametro, l'energia libera di Gibbs.

Questo parametro in realtà non è un parametro nuovo, ma è un parametro che mette in relazione l'entalpia e l'entropia. Gibbs elaborò questa formula sia per i reagenti che per i prodotti. Cioè, introdusse il concetto di energia libera, indicata con G.

Defini questa energia libera come l'energia di legame, quindi l'entalpia, meno la temperatura a cui avviene la reazione, che moltiplica l'entropia. Se ci pensiamo, questo, a livello matematico, ha senso, perché è come se andassimo a fare una somma delle energie che possiedono i reagenti, e quindi anche i prodotti. prodotti perché HR sarà l'energia contenuta nei legami, SR sarà il grado di entropia. Ovviamente SR sarà correlata alla temperatura perché se aumentiamo la temperatura inevitabilmente andiamo anche ad aumentare il grado di entropia perché diamo alle particelle più energia per potersi muovere fra di loro. Anche qui però la formula più usata è la variazione, quindi viene calcolata una reazione chimica, la variazione di energia libera, definita come la variazione di entalpia, meno la temperatura che misura la variazione di entropia.

La ΔG è molto importante perché ci permette di stabilire la spontaneità di una reazione. Una reazione che abbia ΔG minore di 0 è una reazione che avviene a livello spontaneo. questo lo possiamo dedurre già dalla formula stessa per avere ΔG minore di 0 dobbiamo avere ΔH minore di 0 e ΔH minore di 0 si ha nel momento in cui i reagenti hanno già una quota di energia per formare i prodotti quindi non hanno bisogno di avere altra energia dall'esterno e ΔS deve essere maggiore di 0, perché in questo modo se ΔS è maggiore di 0, moltiplicando il meno che c'è davanti alla T diventa minore di 0. In questo modo la ΔS è una spinta verso la spontaneità, quindi una spinta verso a far avvenire la reazione in maniera spontanea.

Viceversa, se ΔG è maggiore di 0, allora la reazione non è spontanea. ΔG minore di 0 lo possiamo avere in vari casi, se ΔH è maggiore di 0, e quindi questo significa che bisogna prendere energia dall'esterno per far avvenire la reazione. Oppure se ΔS è minore di 0, in quel caso significa che bisogna...

andare a fornire energia per far passare il sistema da uno stato disordinato a uno stato più ordinato. In realtà questi sono degli stati limite perché poi ci sono degli stati intermedi in cui ad esempio ΔH può essere minore di 0, però ΔS può essere maggiore di 0 ma non tanto da compensare ΔH e quindi in questo modo poi si vengono a creare degli stati intermedi diciamo di varia natura. La cosa però importante da ricordare è che il ΔG non è il ΔH. Il delta H ci fornisce solo informazioni sulla dinamica del calore nei legami, quindi se c'è perdita di energia o assunzione di energia.

Quindi associare il concetto di esergonico a spontaneo è un concetto... Diciamo profondamente sbagliato. Prendiamo un caso semplice, la dissoluzione dello zucchero ad esempio all'interno di un caffè o di una bevanda calda.

Lo zucchero si scioglie in maniera spontanea, quindi avrà quella reazione 1ΔG-0. Tuttavia lo zucchero prende calore dal sistema, quindi è una reazione endoergonica con ΔH-0. Vediamo che quindi i due parametri non sono assolutamente sovrapponibili.

C'è un ultimo parametro poi molto importante per descrivere una reazione chimica. Si tratta dell'energia di attivazione indicata come G con due più all'apice. Per capire cos'è partiamo sempre da un esempio. Supponiamo di avere l'ammoniaca che reagisce con l'acqua.

Una reazione che dà ammonio e OH. Questo nel grafico è l'andamento nel tempo della reazione in riferimento alle variazioni di energia libera di Gips. Possiamo notare quindi che la reazione in un primo momento tende ad avere un aumento di energia. Questo perché?

Perché i reagenti prima di poter reagire fra di loro hanno bisogno di allinearsi fra di loro. e quindi questo allineamento deve comportare da un lato un calo dell'entropia e quindi questo è un processo sfavorito perché ovviamente farsare due molecole vicine è molto più difficile che tenerle separate e ovviamente questa energia poi servirà a orientarli nel modo giusto in modo tale che poi i gruppi possano reagire fra di loro senza che però questa energia ci sia non può avvenire la reazione per questo questa variazione di energia viene detta energia di attivazione ed è indispensabile per una reazione cioè rappresenta quello scalino che i reagenti devono superare affinché poi avvenga la trasformazione in prodotti. Se abbiamo una reazione in cui o la delta G di attivazione oppure la delta G tra i prodotti reagenti è alta quindi non è irrilevante ma abbastanza rilevante allora verosimilmente quella reazione sarà una reazione irreversibile perché perché ovviamente i reagenti dopo che passano in prodotti hanno uno squilibrio energetico troppo alto per poter ripassare i reagenti cioè mentre nel primo caso per salire dai reagenti all'energia di attivazione il percorso è relativamente breve I prodotti per arrivare al picco dell'energia di attivazione devono fare un percorso energetico molto più lungo che verosimilmente non faranno. Per questo una volta che la reazione avviene tende a rimanere verso i prodotti e quindi abbiamo uno squilibrio di concentrazioni verso i prodotti e quindi si parla di reazione irreversibile.

In realtà quando parliamo di reazione irreversibile bisogna comunque stare attenti attenti perché ogni reazione chimica è comunque un equilibrio dinamico, cioè la reazione non è che una volta che avviene si ferma, i reagenti si trasformano in prodotti ma poi comunque anche i prodotti possono tornare reagenti, sempre però in una minima parte. Nel caso delle reazioni irreversibili il concetto viene esemplificato dicendo che nessun reagente poi diventa prodotto, ma in realtà rimane sempre una minima concentrazione di prodotti che torna a essere reagente. perché appunto per una serie di motivi termodinamici alcuni prodotti possono avere l'energia tale per tornare reagenti.

Però ovviamente il rapporto fra prodotti e reagenti sarà nettamente a favore dei prodotti e quindi ci sarà uno squilibrio comunque dinamico. Ci sono invece reazioni come ad esempio la reazione dell'ossido di nickel. con il monossio di carbonio, per dare l'idea di carbonica e nichel libero, che avvengono con un'energia di attivazione relativamente bassa, quindi non hanno una grande energia di attivazione.

E inoltre il grado di differenza tra l'energia libera dei reagenti e quella dei prodotti, quindi il delta G, è minimo. Non diciamo uguale a zero perché in quel caso la situazione sarebbe diversa, però diciamo è molto piccolo. il grado di differenza.

In questi casi la reazione tende ad essere reversibile. Perché? Perché ovviamente i reagenti avranno un minimo scalino da superare per diventare prodotti e i prodotti potranno tornare facilmente reagenti. Qui vale lo stesso discorso degli irreversibili.

C'è sempre un equilibrio però negli irreversibili l'equilibrio era spostato verso i prodotti. Qui invece esattamente al centro. Quindi avremo reagenti che si convertono in prodotti nella stessa...

proporzione con cui i prodotti tornano ad essere reagenti e quindi c'è un equilibrio dinamico. Prima era uno squilibrio, adesso è un equilibrio. L'energia di attivazione ci permette di capire il funzionamento degli enzimi.

Gli enzimi non sono altro che dei... tra virgolette macchinari biologici che riescono ad accelerare le reazioni andando ad agire proprio sull'energia di attivazione. Facciamo un esempio pratico.

L'esempio dell'acqua che reagisce con l'anidride carbonica per dare il bicarbonato. Questa è una reazione che avviene normalmente nel nostro organismo. Vediamo com'è l'andamento energetico della reazione non catalizzata.

L'enzima che la catalizza è l'anidrazica carbonica. senza l'anidrasi carbonica la reazione ha questo andamento quindi vediamo che l'energia di attivazione è molto alta quindi verosimilmente i reagenti avranno difficoltà a superare quello scalino per diventare prodotti e soltanto una piccola parte di quei reagenti effettivamente diventeranno prodotti in queste condizioni quindi la reazione è lenta Non è che non avviene, attenzione, avviene lo stesso, però avviene a una velocità molto bassa, proprio perché i reagenti solo in rari casi riescono a superare la barriera e diventare prodotti. L'anidrasi carbonica cosa fa?

Abbassa l'energia di attivazione. Abbassando l'energia di attivazione della reazione va quindi a favorire il passaggio dei reagenti a prodotti. Ovvero aumenta la velocità della reazione.

Quindi gli enzimi cosa fanno nel nostro organismo? Vanno a velocizzare delle reazioni che normalmente avverrebbero in un tempo molto ma molto più lungo e questo è essenziale per dare al nostro organismo tutti gli elementi di cui ha bisogno. Ma come fa però l'enzima ad abbassare l'energia di attivazione?

L'energia di attivazione viene persa, dato che comunque l'energia si conserva sempre, abbiamo detto, perché si formano dei legami fra l'enzima e i reagenti. Cioè l'enzima va a legare i reagenti e in quel legame immagazzina una quota di energia. Questi legami sono solitamente interazioni deboli che debbono permettere all'enzima di rilasciare quei prodotti una volta che si sono formati.

Però quelle interazioni deboli, dato che avvengono in maniera numerosa nella tasca catalitica dell'enzima, permettono di abbassare l'energia di attivazione che però non viene persa, viene immagazzinata nell'energia dei legami che si formano. Quella energia di attivazione abbassata quindi permette all'enzima di regolare l'orientamento dei reagenti, di farli incontrare più semplicemente e quindi di far avvenire la reazione più velocemente. Quindi anche se dal grafico emerge che c'è una diminuzione dell'energia di attivazione bisogna comunque tener conto che quell'energia di attivazione non viene assolutamente persa, viene immagazzinata come energia di legame che favorisce l'incontro fra i gruppi che devono reagire dei reagenti.

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