Energia di attivazione: spiegazione e grafico

Accendere il gas è un’azione comune che permette di riscaldare il contenuto di pentole e padelle. La fiammella che possiamo osservare sul fornello è un gas che brucia, principalmente metano (CH₄), mediante la seguente reazione:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Questa reazione è in grado di portare l’acqua (come un esempio di contenuto di una pentola) alla sua temperatura di ebollizione (inferiore ai 100°C) in poco tempo poichè libera molta energia. Ma nonostante ciò questa reazione non è immediata: quando apriamo il gas infatti esso non brucia subito con l’ossigeno presente nell’aria, in maniera incontrollata e potenzialmente pericolosa. Abbiamo la necessità di utilizzare un innesco: un fiammifero o un accendigas, in grado di far partire questa reazione e di far comparire la fiammella sul fornello.

Questo innesco ha lo scopo di fornire ai reagenti (metano e ossigeno) l’energia sufficiente per arrivare ai prodotti, superando la barriera energetica che li divide, chiamata energia di attivazione (E_a).

Grafico che rappresenta l’energia (G) dei reagenti (S) e ai prodotti (P), a seconda del punto della reazione in cui ci si trova, chiamato coordinata di reazione (R).

L’energia di attivazione influisce sulla velocità della reazione: maggiore è questo valore, minore è la velocità con cui la reazione avviene. La relazione fra l’energia di attivazione e la costante cinetica della velocità (k) è definita dall’equazione di Arrhenius:

k = Ae^-E_a/RT

A = costante di frequenza che dipende dalla natura dei reagenti.
e = numero di Nepero (circa 2,72).
R = costante dei gas (circa 8,31 J/K mol).
T = temperatura assoluta (cioè espressa in Kelvin) alla quale avviene la reazione.

Questa equazione sottolinea anche come un’elevata temperatura favorisca il raggiungimento dei prodotti da parte della reazione. L’innalzamento della temperatura nell’ambiente permette di fornire alla reazione energia dall’esterno, abbassando di molto l’energia necessaria perchè essa possa avvenire. Allo stesso modo grazie al fiammifero e all’accendigas siamo in grado di “aiutare” il metano e l’ossigeno a reagire, fornendo loro energia dall’esterno sotto forma di calore (la fiamma del fiammifero e la scintilla dell’accendigas).

Dal grafico emerge anche come maggiore sia l’energia di partenza dei reagenti minore sia l’energia di attivazione necessaria, in quanto intesa come differenza di energia fra i reagenti stessi e lo stato di transizione. Una molecola dotata di elevata energia è una specie reattiva, in quanto ha un’alta probabilità di reagire facilmente con altre specie. Un’elevata energia rappresenta spesso elevata instabilità, dalla quale una molecola cerca di sfuggire raggiungendo una forma più stabile, in una sorta di “rilassamento”: se i prodotti fossero molto stabili, la reazione tenderebbe ad andare nella loro direzione. L’anidride carbonica e l’acqua sono molecole molto stabili che permettono a reazioni come la combustione del metano di avvenire senza tornare indietro.

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