Chimica e propedeutica biochimica: reazioni chimiche, classificazione e cinetica

Documento dall'Università degli Studi di Cagliari su chimica e propedeutica biochimica. Il Pdf, un riassunto di lezioni universitarie di Chimica, esplora le reazioni chimiche, la loro classificazione, molecolarità e stechiometria, con esempi pratici.

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Anteprima

Esame

Chimica e propedeutica biochimica Docente Enrico Sanjust Lezione N 12, 06/11/2020 Sbobinatore Gloria Marchese Controllore Carlotta Alberti

Introduzione

Libri di testo consigliati

Il presente file contiene alcune immagini tratte dai seguenti testi: il professore sotto richiesta di alcuni studenti espone una lista di testi consigliati

  • Bandoli et al. Chimica di base - Edises
  • Bellini. Chimica medica e propedeutica biochimica - Zanichelli
  • Bettelheim et al. Chimica e propedeutica biochimica - Edises
  • Binaglia et al. Chimica e propedeutica biochimica - McGraw-Hill
  • Brown et al. Introduzione alla chimica organica - Edises
  • Denniston et al. Chimica generale, chimica organica, propedeutica biochimica - McGraw-Hill
  • Kelter et al. Chimica. La scienza della vita - Edises
  • Kotz et al. Chimica - Edises
  • Santaniello et al. Chimica propedeutica alle scienze biomediche - Piccin
  • Schiavello et al. Fondamenti di chimica - Edises
  • Stoker. Principi di chimica - Edises
  • Tro. Chimica. Un approccio molecolare - Edises
  • Wikipedia. Licenza CC

Reazioni chimiche

Una reazione chimica è una trasformazione chimica della materia in cui possiamo individuare dei reagenti, cioè delle sostanze che facciamo reagire in laboratorio o che reagiscono per conto loro senza il nostro intervento, e da cui otteniamo dei prodotti. Nella maggior parte dei casi in realtà individuare reagenti e prodotti può essere abbastanza arbitrario perché spesso e volentieri si scambiano di ruolo.

Da non confondere la parola reagente con la parola reattivo: in italiano hanno infatti significati diversi. Un reagente è, come dice letteralmente la parola, una sostanza che reagisce nel contesto di una o più reazioni chimiche; un reattivo invece è inteso come una sostanza specifica che noi aggiungiamo a un campione che stiamo analizzando e nel quale sprigionerà un certo cambiamento che noi di solito evidenziamo visivamente, nel senso che poi la reazione che osserviamo visivamente può anche essere resa quantitativa con opportune strumentazioni, come possiamo osservare nel seguente esempio: se voglio cercare la presenza dello ione cloruro, quindi di fatto di sale, in acqua, posso usare come reattivo del nitrato di argento: a vista si noterà che se c'è anche solo una piccola traccia di ione cloruro, questo reattivo causerà la formazione di un precipitato bianco che ha un aspetto di ricottina e che non è altro che il cloruro d'argento insolubile (quindi noi abbiamo visto visivamente la presenza di sali poiché questi hanno reagito con il nitrato d'argento e da qui possiamo studiarne le quantità). Mi accorgo dunque subito se ho a che fare con acqua distillata o acqua di rubinetto, perché nell'acqua di rubinetto c'è sempre una certa quantità di ione cloruro (se questa quantità supera un certo limite l'acqua può anche rimanere potabile, ma comincia a diventare meno gradevole e si comincia a sentire un sapore un po' salato). Un altro reattivo potrebbe essere il tiocianato di potassio che svela la presenza di composti ferrici in quanto, se questi sono presenti anche in piccolissime quantità, dà luogo ad una colorazione color sangue. Questi reattivi in realtà sono anche dei reagenti perché compiono una reazione: il nitrato d'argento reagisce con lo ione cloruro, il tiocianato di potassio con lo ione ferrico. Però per reattivi si intendono sostanze che si aggiungono a preparati che si usano per svelare la presenza di qualche sostanza che stiamo cercando. Il nome corretto nel contesto che interessa a noi è la parola reagente.

Classificazione delle reazioni chimiche

Le reazioni redox sono tutte quelle reazioni in cui si ha una variazione del numero di ossidazione degli atomi presenti nelle specie che ne prendono parte. Sono reazioni che si accompagnano a un flusso di elettroni e sono molto importanti nella vita di tutti i giorni, compresa quella che avviene all'interno degli organismi.

Esistono anche moltissime altre reazioni in cui questa variazione del numero di ossidazione, e quindi il flusso di elettroni da una specie donatrice a una specie ricevente, non c'è. Le reazioni di sintesi o combinazione sono quelle in cui due molecole più semplici si uniscono a formarne una più complessa. Invece in quelle di decomposizione avviene il contrario: le molecole complesse si scindono in molecole più semplici. Ci sono poi le reazioni di sostituzione che possono essere singole o doppie. Queste ultime di solito si chiamano anche di doppio scambio. Per esempio, se faccio reagire il cloruro di sodio, cioè il sale da cucina, col nitrato d'argento, avrò una reazione di doppio scambio perché da cloruro di sodio e nitrato d'argento si otterrà cloruro d'argento e nitrato di sodio. Quindi c'è stato un doppio scambio. Invece, se unisco del ferro con l'aceto, ad esempio prendendo una spugnetta che da cucina che si usa per sfregare pentole incrostate e mettendola in un bicchiere sul quale verso l'aceto, (che non è altro che una soluzione acquosa di acido acetico), vedrò che dopo un po' si forma una certa effervescenza che nasce proprio dal ferro della spugnetta. Quella effervescenza non è altro che idrogeno. Ogni molecola di acido acetico perderà una molecola di idrogeno e avverrà una sostituzione col ferro, tanto è vero che alla fine della reazione, dopo un tempo abbastanza lungo, il ferro sarà passato tutto in soluzione e si sarà formato acetato ferroso che noi possiamo vedere perché resta in soluzione facendo diventare questa verdina, proprio perché l'acetato ferroso ha quel colore (sostituzione singola).

Reazioni reversibili e irreversibili

La classificazione di reazioni reversibili e irreversibili potrebbe sembrare facile e ovvia: reversibili, quelle che possono tornare indietro, e irreversibili quelle che non possono. In realtà dal punto di vista pratico questa divisione bianco e nero non è molto adeguata, anche se può fare comodo per affrontare la logica delle reazioni chimiche. Infatti, la maggior parte delle reazioni rientrano nelle infinite sfumature grigie. Da un punto di vista teorico anche le reazioni che di fatto sono irreversibili si possono trattare dal punto di vista logico-matematico come se in realtà fossero reversibili. Quindi in realtà anche in una reazione che va a completamento (irreversibile) si può sempre stimare che una quantità infinitesima dei reagenti non si sia trasformata nel prodotto o che una quantità infinitesima di prodotti si trasformi in reagenti. Ci sono alcune reazioni, importanti per la biochimica, che sono di fatto irreversibili e che sono quelle che poi danno luogo a dei sistemi di regolazione delle trasformazioni delle biomolecole, cioè delle molecole che costituiscono la materia vivente, e sono dei punti nodali che permettono un controllo accurato da parte dell'organismo del proprio stesso funzionamento, e si può dire che la reazione è completa. Nelle reazioni incomplete assistiamo quindi a due processi: i reagenti reagiscono per dare i prodotti e viceversa. Tali processi avvengono contemporaneamente fino al raggiungimento di uno stato di equilibrio, in corrispondenza del quale la quantità dei reagenti e dei prodotti rimane costante. Per sottolineare questa reversibilità si usa la doppia freccia ( ), la quale indica che il processo di reversibilità non può essere trascurato. In caso contrario, anche ¿> per molte reazioni che sono reversibili indichiamo solo la freccia da sinistra verso destra, indicando cioè così solo la cosiddetta reazione diretta. Quindi per passare da reagenti a prodotti scriviamo la freccia con la punta verso destra e diciamo che quella è la reazione diretta, mentre al contrario parliamo di reazione inversa, con la freccia verso sinistra. Quando le due reazioni, diretta e inversa, sono confrontabili come entità, diventa arbitrario decidere quali siano i reagenti e quali i prodotti (reazioni di questo genere sono comuni e importanti anche in biochimica).

ATTENZIONE: la freccia con le due punte ( ) non si deve assolutamente usare per indicare reazioni reversibili all'equilibrio perché si usa per indicare quel fenomeno di delocalizzazione degli elettroni che si osserva in certi tipi di composti e che abbiamo chiamato mesomeria o risonanza. Infatti, mentre la prima sta a indicare che ci sono sostanze che si trasformano le une nelle altre, ma stiamo parlando di individui chimici distinti, la seconda invece significa un fatto di delocalizzazione degli elettroni, mesomeria o risonanza, che non c'entra nulla con l'equilibrio.

Come avvengono le reazioni?

Noi sappiamo che le reazioni avvengono perché, ad esempio, ci può essere un trasferimento di elettroni da atomi donatori ad atomi riceventi e allora forniamo delle sostanze ioniche; oppure ci può essere una certa sovrapposizione di orbitali tra atomi che si avvicinano a una distanza sufficiente e che possiedono orbitali di adatta simmetria ed energia, e allora formiamo legami covalenti. Però perché questo possa avvenire intanto le molecole o gli atomi, le particelle in genere, che partecipano alla reazione devono, in primo luogo, avere una certa libertà di movimento perché devono avvicinarsi a tal punto da portare ad urti tra i reagenti che devono avvenire con orientamento corretto, quindi dalla parte giusta, perché c'è un problema di orientamento nello spazio degli orbitali che devono potersi sovrapporre. Se questo non è possibile, allora la reazione non avviene e quindi le molecole e le particelle si urtano come palle da biliardo su un tavolo da biliardo senza che succeda nulla. Le molecole, in secondo luogo, devono avere un'energia sufficiente che consenta o il trasferimento di uno o più elettroni quando si devono formare dei prodotti ionici oppure che consenta la sovrapposizione di orbitali che, essendo nuvole di carica negativa, devono essere forzati in modo tale da vincere una certa repulsione di tipo coulombiano, cioè elettrostatica. Serve quindi una certa energia perché queste resistenze vengano vinte. Questa energia può essere anche calcolata e si chiama energia di attivazione.

Cinetica chimica

La cinetica chimica è quella branca della chimica che studia la velocità e i meccanismi con cui le reazioni avvengono.

La velocità delle reazioni non è assolutamente legata alla variazione dell'energia totale che accompagna lo svolgimento di una reazione chimica. Una certa reazione chimica può avvenire con liberazione di quantità massicce di energia ma non per questo deve essere per forza veloce anzi può essere particolarmente lenta o addirittura lenta al punto tale che in pratica non avviene. Tutto dipende in questi casi dall'energia di attivazione. Se le molecole dei reagenti non hanno in partenza un'energia sufficiente per far avvenire questi urti nel modo corretto la reazione non avverrà. La velocità delle reazioni chimiche è di straordinaria importanza in tutte le varie sfaccettature delle attività umane, del comportamento del mondo che ci circonda, di quello che è successo nel passato e di quello che succederà nel futuro ed è anche di straordinaria importanza per quanto riguarda il chimismo del corpo umano nonché degli altri organismi, essenzialmente microrganismi, con cui entra in relazione. Uno stato di salute dipende dal fatto che nel groviglio incredibile di reazioni chimiche, cioè quindi nel chimismo generale dell'organismo umano che si chiama metabolismo, ciascuna delle migliaia di reazioni che avvengono in contemporanea deve avere una velocità regolata. La velocità di una reazione dipende da numerosi fattori:

  • Struttura dei reagenti, legami, forma delle molecole, orientazione;
  • concentrazione dei reagenti;
  • temperatura
  • catalizzatori;
  • Altri fattori.

La velocità di una reazione dipende dalla concentrazione dei reagenti

Prendiamo una reazione di tipo: A+B -> C+D dove A, B, C e D sono molecole generiche. La velocità di una reazione di questo genere dipende dalle variazioni nel tempo delle concentrazioni di queste sostanze. Si può definire la velocità con cui diminuisce la concentrazione di A o di B col passare del tempo, perché A e B, come dice la freccia, si stanno trasformando in C e D, così come posso misurare l'aumento della concentrazione nel tempo di C e di D. E questo lo posso esprimere matematicamente in modo molto semplice. Così come la velocità in fisica in un moto rettilineo uniforme è data dalla derivata dello spazio fatta rispetto al tempo, qui usiamo al posto dello spazio la concentrazione. Quindi facciamo per

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