© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas CAPITOLO 10 1 Indice 1. Scambio di energia nelle reazioni chimicheScambio di energia nelle reazioni chimiche 2. Misura del calore di reazione: il calorimetroMisura del calore di reazione: il calorimetro 3. Entalpia di reazioneEntalpia di reazione 4. La spontaneità delle reazioni chimicheLa spontaneità delle reazioni chimiche Mappa concettuale: L’energia delle reazioni chimicheMappa concettuale: L’energia delle reazioni chimiche 5. La velocità delle reazioni chimicheLa velocità delle reazioni chimiche 6. Teoria delle collisioni ed energia di attivazioneTeoria delle collisioni ed energia di attivazione 7. Fattori che influenzano la velocità di reazioneFattori che influenzano la velocità di reazione

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas In una reazione chimica si ha sviluppo o assorbimento di energia che, in prevalenza, si manifesta sotto forma di calore. 2 CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE 1 Per studiare il calore di una reazione è opportuno definire il concetto di sistema e di ambiente. Scambio di energia nelle reazioni chimiche Per sistema s’intendono le sostanze che partecipano ad una trasformazione chimica o fisica. Per ambiente s’intende tutto ciò che è esterno al sistema.

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Un sistema può essere: 3 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche Il calore liberato o assorbito in una reazione chimica prende il nome di calore di reazione. Sistema isolato Sistema chiusoSistema aperto CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 4 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche Le reazioni che sviluppano calore vengono definite esotermiche. Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore vengono definite endotermiche. Combustione del metano in un bruciatore domestico. In seguito alla reazione si ha un notevole abbassamento della temperatura; il fondo del becher diventa così freddo da gelare le gocce d’acqua sulla tavoletta sottostante, per cui si attacca a questa. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Quella parte della chimica che studia e misura il calore di una reazione chimica prende il nome di termochimica. 5 1 Scambio di energia nelle reazioni chimiche La termochimica è una branca della termodinamica, disciplina che studia le relazioni tra il calore e le altre forme di energia. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 6 2 Misura del calore di reazione: il calorimetro Il calore sviluppato o assorbito in una reazione chimica o in un processo fisico è determinato sperimentalmente con il calorimetro. Esistono due tipi di calorimetro:  Il calorimetro a tazza, particolarmente indicato per misurare il calore delle reazioni che si verificano in soluzione acquosa. CALORIMETRO A TAZZA. Il vaso calorimetrico è a doppia parete come un thermos. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 7 2 Misura del calore di reazione: il calorimetro  La bomba calorimetrica, particolarmente indicata per misurare il calore di combustione di un combustibile e il contenuto energetico degli alimenti. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Per le reazioni chimiche realizzate in laboratorio si utilizzano recipienti aperti (becher, provette, beute), per cui il sistema si trova sottoposto a pressione costante, quella atmosferica. 8 3 Nella condizione di pressione costante, il calore di reazione prende il nome di entalpia di reazione e si indica con  H. Entalpia di reazione  H reaz = H prodotti − H reagenti La variazione di entalpia di una reazione (  H) è data da: La variazione di entalpia è la quantità di calore che viene ceduto o assorbito in una reazione chimica condotta a pressione costante. Il  H viene riportato a parte, a destra dell’equazione, e si fa precedere dal segno algebrico + se la reazione è endotermica o dal segno − se la reazione è esotermica. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Per prevedere se due sostanze, in contatto tra loro, possono dare spontaneamente una reazione, si devono considerare quali sono le grandezze che influenzano i processi spontanei. 9 4 La spontaneità delle reazioni chimiche  Spontaneità ed energia L’energia di una reazione non è il solo fattore che determina la spontaneità di un processo perché esistono reazioni spontanee con  H° negativo (reazioni esotermiche), ma anche con  H° positivo (reazioni endotermiche).  Spontaneità e disordine L’entropia da sola non dà indicazioni sulla spontaneità di una reazione; infatti esistono reazioni spontanee in cui il processo si verifica con  S° negativo (diminuzione di entropia), mentre altre non sono spontanee neanche se il processo si verifica con un aumento di entropia (  S°positivo). CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 10 La grandezza termodinamica energia libera di Gibbs, simbolo G, tiene conto di entrambi i fattori: La spontaneità delle reazioni chimiche A temperatura e pressione costanti, la variazione di energia libera di una reazione è data dalla relazione: La tendenza di una reazione ad avvenire spontaneamente dipende sia da  H° sia da  S°.  L’energia libera di Gibbs G = H  TS  G° =  H°  T  S°  G°  0 la reazione è spontanea  G°  0 la reazione non è spontanea  G°  0 la reazione è all’equilibrio 4 CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Se si conosce l’energia libera standard di formazione delle sostanze presenti in una reazione, il valore di  G° di una reazione si ottiene applicando la seguente relazione: 11 La spontaneità delle reazioni chimiche  G° reazione = somma  G° prodotti  somma  G° reagenti 4  Calcolo di ΔG° di una reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 12 Mappa concettuale: L’energia delle reazioni chimiche ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE REAZIONI ENDOTERMICHE Necessitano di calore per avvenire REAZIONI ESOTERMICHE Sviluppano calore VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA ΔG° ΔG° = ΔH° − TΔS° Se ΔG° è negativo, il processo procede spontaneamente nel verso in cui stato scritto VARIAZIONE DI ENTALPIA DI REAZIONE ΔH° Calore scambiato in una reazione chimica o in una trasformazione fisica, a pressione costante ΔH° NEGATIVO ΔH° POSITIVO VARIAZIONE DI ENTROPIA ΔS° Misura del disordine degli atomi o delle molecole in un processo chimico o fisico CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Le reazioni chimiche procedono con differente velocità: 13 5 Il ferro si trasforma in ruggine: la reazione viene considerata molto lenta perché si verifica in un tempo molto lungo. La velocità delle reazioni chimiche Un’esplosione è una reazione molto veloce perché si realizza in tempo molto breve. La maturazione di ortaggi e di frutti è una reazione con velocità moderata perché si verifica nell’arco di qualche giorno. Lo studio della velocità di una reazione è chiamata cinetica chimica. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas “La velocità di una reazione chimica si riferisce alla variazione di concentrazione di una sostanza nell’unità di tempo” La velocità delle reazioni chimiche In una generica reazione: A + B  C Rappresentazione grafica della variazione di concentrazione dei reagenti (A o B) e del prodotto di reazione (C) in funzione del tempo. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE la concentrazione dei reagenti A e B diminuisce man mano che cresce il tempo dall’inizio della reazione, mentre la concentrazione del prodotto, C, aumenta.

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Perché una reazione chimica tra sostanze possa avvenire, le particelle (molecole, atomi, ioni) devono collidere: è questa l’idea su cui poggia la teoria delle collisioni Teoria delle collisioni ed energia di attivazione Le collisioni, inoltre, devono essere efficaci, cioè con una energia cinetica uguale o superiore ad un valore E a, chiamata energia di attivazione. Le collisioni delle molecole dei reagenti sono efficaci: la reazione tra H 2 e O 2 porta alla formazione di H 2 O. Le collisioni sono inefficaci: le molecole rimbalzano inalterate. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Per la formazione dei prodotti di una reazione risulta importante l’orientamento molecolare durante la collisione Teoria delle collisioni ed energia di attivazione a b L’IMPORTANZA DELL’ORIENTAZIONE MOLECOLARE IN UNA COLLISIONE EFFICACE. (a) Due esempi di urti inefficaci; (b) urto efficace, favorito dall’orientazione favorevole delle molecole o fattore sterico, che porta alla formazione dei prodotti. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas a. Natura delle sostanze reagenti 17 7 H 2(g) + F 2(g)  2 HF (g) veloce Fattori che influenzano la velocità di reazione Ciascuna reazione chimica presenta una sua caratteristica velocità che dipende dalla natura dei reagenti. Il legame in F 2 si rompe più facilmente che in Cl 2. H 2(g) + Cl 2(g)  2 HCl (g) lenta CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas b. Temperatura di reazione 18 7 Fattori che influenzano la velocità di reazione La velocità di qualsiasi reazione cresce con l’aumentare della temperatura. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas c. Concentrazione dei reagenti 19 7 Fattori che influenzano la velocità di reazione Ad un aumento della concentrazione delle sostanze reagenti corrisponde sempre un aumento della velocità di reazione perché cresce il numero delle collisioni. Dipendenza del numero di collisioni dalle concentrazioni dei reagenti. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas d. Superficie di contatto 20 7 Fattori che influenzano la velocità di reazione A parità di massa, se la superficie di contatto è maggiore si ha sempre un aumento della velocità di reazione. Se un solido di 1 cm 3 viene diviso a metà, si vengono a creare due nuove superfici, per cui cresce la superficie di contatto. Continuando la divisione, la superficie di contatto diventa sempre maggiore. La limatura di ferro reagisce con acido cloridrico più velocemente di una lamina di ferro. Ciò è evidenziato da un maggior sviluppo di idrogeno. CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas e. Catalizzatore di reazione 21 7 Fattori che influenzano la velocità di reazione Un catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione senza per questo essere consumato durante il processo. Diagramma di energia per una reazione in assenza o in presenza di un catalizzatore. Percorso della reazione CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

© Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 22 7 Fattori che influenzano la velocità di reazione Negli organismi viventi la maggior parte delle reazioni chimiche viene catalizzata da enzimi, proteine caratterizzate da elevata specificità nella loro azione catalitica.  Enzimi Alcune radiazioni, come quella solare o quella emessa da un filamento incandescente, presentano proprietà catalitiche, ad esempio nella fotosintesi clorofilliana.  Radiazioni CAPITOLO 10. L’ENERGIA E LA VELOCITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE