Chimica ed energia
Tutte le molecole possiedono un’energia perché le particelle sono dotate di movimento: possono spostarsi, ruotare su se stesse e i legami che tengono uniti gli atomi possono vibrare, accorciarsi, allungarsi e oscillare. Per ogni reazione dobbiamo chiederci se l’energia accumulata nei legami chimici è maggiore nei reagenti o nei composti. Perché alcune reazioni liberano energia e altre la assorbono? Come viene immagazzinata l’energia nelle sostanze chimiche?
Reazioni esotermiche
Nelle reazioni esotermiche si rompono i legami tra le molecole dei reagenti e si libera energia che serve a formare i nuovi legami tra le molecole dei prodotti. Ma, visto che l’energia immagazzinata nei legami delle molecole dei prodotti è minore, una parte di questa si libera sottoforma di calore.
Reazioni endotermiche
Nelle reazioni endotermiche si rompono i legami tra le molecole dei reagenti e si libera energia che serve a formare i nuovi legami tra le molecole dei prodotti. Ma, visto che l’energia immagazzinata nei legami delle molecole dei prodotti è maggiore, una parte di questa è fornita dall’ambiente esterno che perde energia sottoforma di calore.
In chimica l’energia di attivazione è l’energia necessaria al sistema per iniziare un particolare processo. Perché una reazione avvenga è necessaria l’urto di due o più molecole dotate di un livello di energia (l’energia di attivazione) che permetta di superare le forze elettriche repulsive generate dalle loro nubi di elettroni esterne. Se l’energia disponibile è sufficiente, le forze repulsive vengono vinte e le molecole coinvolte vengono a trovarsi ad una distanza che permette agli atomi che le compongono di dare vita a nuovi composti.
I fattori in grado di influenzare la velocità di reazione sono:
- Stato fisico: le reazioni in fase condensata sono generalmente più lente di quelle in fase gassosa perchè è minore la frequenza degli urti tra le molecole.
- Concentrazione: una maggiore concentrazione dei reagenti implica una maggiore frequenza di collisioni, con il risultato di aumentare la probabilità dei cosiddetti “urti efficaci” (ovvero quelli in grado di superare la barriera energetica) e rendere quindi più probabile una reazione chimica.
- Temperatura: un aumento di temperatura provoca un aumento dell’energia media delle molecole che quindi hanno una maggiore probabilità di reagire.
Catalizzatori: sono sostanze che non si consumano durante una reazione e fanno avvenire il processo chimico attraverso un percorso alternativo al quale compete minore energia di attivazione (in biologia si chiamano enzimi).
Un catalizzatore è una sostanza che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa. L’aumento di velocità viene reso possibile grazie alla diminuzione dell’energia di attivazione (energia potenziale), che deve essere raggiunta per far sì che i reagenti evolvano poi spontaneamente verso il prodotto. L’effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più importanti si hanno nella automobili e in biochimica.
Catalizzatori inorganici
I catalizzatori usati nelle marmitte delle automobili sono formati da metalli nobili (generalmente platino e rodio) sparsi sopra un supporto. Permettono la reazione del carburante non ancora bruciato rendendo meno pericolose le emissioni delle automobili.
Catalizzatori organici
Come tutti i catalizzatori, anche gli enzimi (proteine) permettono una riduzione dell’energia di attivazione di una reazione, accelerando la sua velocità. Come per tutti i catalizzatori, gli enzimi non sono consumati dalla reazione che catalizzano. In ogni caso, la differenza principale degli enzimi dagli altri catalizzatori chimici è la loro estrema specificità. Essi infatti sono in grado di catalizzare solo una reazione o pochissime reazioni simili. Ad oggi sono state individuate finora 4038 reazioni biochimiche catalizzate da enzimi. Una importante funzione degli enzimi è correlata alla digestione negli animali: enzimi come le amilasi e le proteasi sono in grado di ridurre le macromolecole (nella fattispecie amido e proteine) in unità semplici (maltosio e amminoacidi), assorbibili dall’intestino. Un’altra importante funzione è svolta dalla catalasi che è collocata in un organello cellulare denominato perossisoma. Questo enzima catalizza la conversione del perossido di idrogeno (acqua ossigenata) in acqua e ossigeno: il perossido di idrogeno è un prodotto di scarto del metabolismo di molti organismi viventi. È tossico perché in grado di generare danni a carico dei lipidi di membrana, delle proteine e degli acidi nucleici della cellula. Un uso unico della catalasi avviene nel coleottero bombardiere. Questi coleotteri permettono a gruppi di sostanze chimiche tra cui il perossido di idrogeno di concentrarsi in una cavità nel loro addome. Quando ritengono necessario espellere queste sostanze a scopi difensivi, rilasciano catalasi e perossidasi nella cavità. Questi enzimi reagiscono rapidamente con il perossido di idrogeno generando calore e un surplus di ossigeno. Sotto la pressione dell’ossigeno, le sostanze scaldate sono espulse in modo esplosivo attraverso un’apertura nella cavità dell’animale. Nel filmato la reazione di conversione dell’acqua ossigenata il permanganato di potassio (un catalizzatore non organico): in questa reazione si formano ossigeno e acqua; essendo una reazione molto esotermica il calore trasforma l’acqua in vapore.
FILMATO DELLA REAZIONE DELL’ACQUA OSSIGENATA CON PERMANGANATO DI POTASSIO
