Il concetto di reazioni accoppiate riveste un ruolo cruciale nella comprensione dei meccanismi reattivi, in particolare nell’ambito della biochimica. Un processo reattivo è detto accoppiato quando il risultato di una prima reazione chimica diviene il punto di partenza per una seconda reazione. Questa sequenzialità si può rappresentare come segue:
A → B
B → C
Tali sequenze sono molto diffuse in natura, soprattutto nei processi metabolicici delle cellule.
L’Energia Libera e la Spontaneità delle Reazioni
La spontaneità di una reazione accoppiata è intimamente legata al concetto di energia libera di Gibbs. Se la variazione di energia libera della prima reazione (ΔG1) è positiva, e quella della seconda reazione (ΔG2) è negativa ed ha un valore assoluto maggiore di ΔG1, ovvero |ΔG2| > ΔG1, allora la somma ΔGtotale = ΔG2 + ΔG1 risultante sarà minore di zero, portando a una reazione complessiva spontanea A → C.
Un esempio pertinente è dato dalla decomposizione del solfuro di rame (I), il cui processo è rappresentato dall’equazione:
Cu2S(s) → 2 Cu(s) + S(s)
Questa reazione ha un ΔG° positivo, + 86.2 kJ, il che significa che non è spontanea. In contrasto, la reazione tra lo zolfo e l’ossigeno:
S(s) + O2(g) → SO2(g)
è caratterizzata da un ΔG° negativo, – 300.1 kJ, rendendola spontanea. L’accoppiamento di queste due reazioni può generare una variazione di energia libera complessiva di -213.9 kJ (-300.1 kJ + 86.2 kJ), stabilendo quindi un processo spontaneo che rappresenta uno dei metodi di produzione industriale del rame.
Allo stesso modo, la decomposizione del carbonato di calcio è un processo non spontaneo a temperatura ambiente, con un ΔG° di +130.40 kJ/mol. Tuttavia, la combustione del carbonio produce anidride carbonica con un ΔG° negativo:
C(s) + O2(g) → CO2(g)
Se accoppiamo quest’ultima reazione a quella del carbonato di calcio, il bilancio complessivo mostra una variazione di energia libera di ΔG° = -394.36 kJ/mol + 130.40 kJ/mol = -263.96 kJ/mol, indicando una decomposizione spontanea del carbonato di calcio a temperatura ambiente in presenza di carbonio e ossigeno.
Queste dinamiche sottolineano non solo l’importanza delle reazioni accoppiate nei processi naturali, ma anche la potenzialità di sfruttarle per finalità pratiche nel settore industriale e tecnologico.