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G. Valitutti A.Tifi A.Gentile Copyright © 2009 Zanichelli editore Le idee della chimica Seconda edizione.

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1 G. Valitutti A.Tifi A.Gentile Copyright © 2009 Zanichelli editore Le idee della chimica Seconda edizione

2 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici 2.Le reazioni scambiano energia con lambiente 3.Durante le reazioni varia lenergia chimica del sistema 4.Lenergia chimica si trasforma in energia termica e viceversa 5.Le funzioni di stato 6.Il primo principio della termodinamica 7.Le reazioni di combustione 8.Il calore di reazione e lentalpia 9.Lentalpia di reazione 10.Trasformazioni spontanee e non spontanee 11.Lentropia e il secondo principio della termodinamica 12.Lenergia libera: il motore delle reazioni chimiche Capitolo 16 L energia si trasferisce

3 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici La termodinamica è la scienza che si occupa di tutti i possibili trasferimenti di energia che interessano la materia. La termochimica è un ramo della termodinamica che si occupa degli scambi di calore durante una trasformazione chimica.

4 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici Con il termine sistema sintende loggetto di indagine. Tutto ciò che circonda il sistema costituisce lambiente. sistema + ambiente = universo

5 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici I sistemi aperti scambiano energia e materia con lambiente.

6 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici I sistemi chiusi scambiano con lambiente soltanto energia ma non materia.

7 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 1.L«ABC» dei trasferimenti energetici I sistemi isolati non scambiano con lambiente né energia né materia.

8 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 2.I sistemi scambiano energia con lambiente Il calore è il processo di trasferimento di energia termica fra due corpi che hanno differenti temperature. I corpi non posseggono calore ma solo energia termica.

9 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 2.I sistemi scambiano energia con lambiente Le reazioni che avvengono con produzione di calore, cioè trasferiscono energia dal sistema allambiente, si dicono esotermiche.

10 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 2.I sistemi scambiano energia con lambiente Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore dallambiente si dicono endotermiche.

11 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 2.I sistemi scambiano energia con lambiente

12 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 3.Durante la reazioni varia lenergia chimica del sistema Lenergia è la capacità di compiere un lavoro, si conserva e tutte le sue forme sono riconducibili allenergia potenziale e allenergia cinetica.

13 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica Nel mondo microscopico lenergia potenziale prende il nome di energia chimica e quella cinetica di energia termica. 3.Durante la reazioni varia lenergia chimica del sistema

14 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica Lenergia termica di un corpo è lenergia cinetica connessa con il movimento di tutte le sue particelle (atomi, molecole, ioni). 3.Durante la reazioni varia lenergia chimica del sistema

15 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 3.Durante la reazioni varia lenergia chimica del sistema Lenergia chimica è lenergia potenziale immagazzinata nei legami chimici che uniscono le sue particelle.

16 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 3.Durante la reazioni varia lenergia chimica del sistema Lenergia chimica di una sostanza dipende dal tipo di particelle di cui è composta e dal modo in cui interagiscono fra loro.

17 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 4.Lenergia chimica si trasforma in energia termica e viceversa In tutte le reazioni esotermiche diminuisce lenergia chimica del sistema e aumenta la sua energia termica, con trasformazione di energica chimica in energia termica.

18 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 4.Lenergia chimica si trasforma in energia termica e viceversa

19 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 4.Lenergia chimica si trasforma in energia termica e viceversa In tutte le reazioni endotermiche aumenta lenergia chimica del sistema e diminuisce la sua energia termica, con trasformazione di energia termica in energia chimica.

20 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 4.Lenergia chimica si trasforma in energia termica e viceversa

21 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 5.Le funzioni di stato Le funzioni di stato descrivono lo stato di un sistema. Le loro variazioni dipendono soltanto dallo stato iniziale e dallo stato finale della trasformazione, e non dal percorso attraverso il quale si realizza la trasformazione.

22 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 5.Le funzioni di stato Il calore e il lavoro non sono funzioni di stato.

23 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica afferma che lenergia può essere convertita da una forma allaltra, ma non può essere né creata né distrutta.

24 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica Laumento (o la diminuzione) di energia di un sistema è uguale alla quantità di energia che esso riceve (o cede) mediante scambi di calore o di lavoro con lambiente: lenergia interna (che si misura in joule).

25 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica Lenergia interna (U) di un sistema è una grandezza estensiva che corrisponde alla somma dellenergia cinetica e dellenergia potenziale di tutte le particelle che compongono il corpo o il sistema.

26 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica In base al primo principio della termodinamica, la variazione di energia interna ΔU di un sistema può essere scritta come: ΔU = q + w

27 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica Per convenzione, lavoro e calore sono negativi se determinano una riduzione dellenergia interna del sistema. Sono positivi se aumentano lenergia interna del sistema.

28 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 6.Il primo principio della termodinamica La quantità di energia scambiata tra sistema e ambiente è uguale alla differenza tra lenergia interna dei prodotti e lenergia interna dei reagenti: ΔU = U prodotti – U reagenti Lenergia dei sistemi isolati rimane costante: ΔU = 0.

29 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 7.Le reazioni di combustione La combustione è una reazione fra un combustibile (spesso contenente carbonio e/o idrogeno) e un comburente (contenente atomi ad alta elettronegatività) in cui si libera unelevata quantità di energia.

30 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 7.Le reazioni di combustione La quantità di calore (kJ) emesso o assorbito da una reazione, si determina misurando la variazione di temperatura dellambiente esterno. Q = c m ΔT Q = calore c = calore specifico m = massa di acqua nel calorimetro

31 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 7.Le reazioni di combustione Il calore sviluppato si misura con il calorimetro.

32 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 7.Le reazioni di combustione Il potere calorifico esprime la quantità di calore liberato, a pressione costante, della combustione di 1 kg di combustibile e si misura con la bomba calorimetrica.

33 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 7.Le reazioni di combustione Il metabolismo energetico è la serie di reazioni consecutive attraverso le quali avviene la lenta combustione degli alimenti nellorganismo.

34 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia La variazione di energia interna di un sistema dipende dal numero di legami spezzati e da quello di legami formati, e dalla forza dei legami di reagenti e prodotti.

35 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia La variazione di energia interna ΔU di un sistema chimico è uguale al calore Q v scambiato a volume costante ΔU = Q v

36 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia A volume costante: in una reazione esotermica ΔU < 0 in una reazione endotermica ΔU > 0

37 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia A pressione costante, per calcolare la quantità di calore prodotta da una reazione che forma gas, si utilizza la variazione di una nuova grandezza, lentalpia.

38 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia In un sistema chimico, la variazione di entalpia ΔH è uguale al calore Q p scambiato a pressione costante Q = ΔH = H prodotti – H reagenti Processo esotermicoProcesso endotermico

39 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia ΔH = –Qreazioni esotermiche ΔH = +Qreazioni endotermiche

40 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 8.Il calore di reazione e lentalpia Lentalpia è una funzione di stato, quindi ΔH dipende dallentalpia dello stato iniziale e dello stato finale e non dal percorso fatto.

41 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 9.Lentalpia di reazione La rappresentazione completa e corretta di una reazione chimica prevede anche la precisazione della variazione di entalpia: A + B ABΔH = kJ

42 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 9.Lentalpia di reazione Lentalpia di reazione dipende dalla temperatura e dalla pressione. I valori generalmente riportati nelle tabelle si riferiscono alla temperatura di 25 °C e alla pressione di 1 atm.

43 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 9.Lentalpia di reazione Una sostanza si dice essere allo stato standard quando è pura e si trova alla pressione di 1 bar (10 5 Pa).

44 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 9.Lentalpia di reazione Lentalpia standard di formazione di un composto è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di una mole di un composto a partire dagli elementi che lo costituiscono, ciascuno nel proprio stato standard.

45 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 9.Lentalpia di reazione Per convenzione, lentalpia standard di formazione di un elemento a 25 °C e 1 bar, è uguale a zero.

46 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 10.Trasformazioni spontanee e non spontanee Un fenomeno si dice spontaneo quando avviene senza interventi esterni.

47 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 10.Trasformazioni spontanee e non spontanee Le reazioni spontanee possono essere sia esotermiche che endotermiche. Le reazioni spontanee procedono sempre verso laumento del disordine, ovvero verso la dispersione di energia e di materia.

48 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 11.Lentropia e il secondo principio della termodinamica Il livello di dispersione dellenergia, cioè il disordine del sistema, può essere espresso per mezzo di una grandezza chiamata entropia. Lentropia S si esprime in J/K.

49 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 11.Lentropia e il secondo principio della termodinamica Lo stato liquido ha entropia maggiore di quello solido e quello gassoso ha entropia più elevata dello stato liquido. Lentropia è maggiore quanto più intenso è il moto termico e quanto più libero è il movimento delle particelle.

50 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 11.Lentropia e il secondo principio della termodinamica La variazione di entropia ΔS° corrisponde alla differenza tra lentropia dei prodotti e quella dei reagenti. ΔS° = S° prodotti – S° reagenti

51 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 11.Lentropia e il secondo principio della termodinamica In generale, una qualsiasi trasformazione chimica o fisica spontanea è caratterizzata da ΔS universo > 0 Quando nelluniverso si ha un evento spontaneo, è sempre accompagnato da un aumento di entropia. Lentropia delluniverso è in costante aumento.

52 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 12.Lenergia libera: il motore delle reazioni chimiche Lenergia libera G è una grandezza termodinamica che dipende dallentalpia, dalla temperatura assoluta e dallentropia del sistema G = H – TS

53 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 12.Lenergia libera: il motore delle reazioni chimiche Durante una reazione a temperatura e pressione costanti si ha una variazione dellenergia libera espressa dalla relazione: ΔG = ΔH – TΔS

54 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 12.Lenergia libera: il motore delle reazioni chimiche la maggior parte delle reazioni spontanee è esotermica ΔH < 0; le reazioni spontanee tendono allaumento dellentropia ΔS > 0.

55 Copyright ©2009 Zanichelli editore Le idee della chimica 12.Lenergia libera: il motore delle reazioni chimiche


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