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Le scienze naturali Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino 13/11/11 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino Le scienze naturali Le trasformazioni nella materia e il corpo umano 2 2 2

La chimica in azione Capitolo 1 3 13/11/11 3 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 3 3

La velocità di reazione Lezione 1 4 13/11/11 4 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 4 4

1. Dallo studio della composizione allo studio delle trasformazioni 13/11/11 1. Dallo studio della composizione allo studio delle trasformazioni Le reazioni si differenziano per: velocità; energia liberata o assorbita; grado di completamento; spontaneità. 5 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 5 5

2. Reazioni lente e veloci 13/11/11 2. Reazioni lente e veloci La velocità di una reazione è la velocità di trasformazione dei reagenti nei prodotti. vmedia= -Δ[R] Δt = Δ[P] vmedia indica la variazione di concentrazione di un reagente o di un prodotto nell’intevallo di tempo. Dipende dalle caratteristiche chimiche dei reagenti, ma può variare in relazione a numerosi fattori. 6 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 6 6

3. Molti fattori influenzano la velocità di reazione 13/11/11 3. Molti fattori influenzano la velocità di reazione Oltre alla natura chimica e allo stato fisico dei reagenti, altri fattori influenzano la velocità di reazione: la concentrazione dei reagenti; la superficie di contatto tra i componenti; la temperatura; la presenza di catalizzatori o inibitori. 7 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 7 7

4. La teoria delle collisioni e l’energia di attivazione 13/11/11 4. La teoria delle collisioni e l’energia di attivazione Una reazione avviene solo se si verificano urti efficaci, cioè urti in cui le particelle dei reagenti hanno energia cinetica uguale all’energia di attivazione e hanno orientamento favorevole. 8 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 8 8

5. Come agiscono i catalizzatori? 13/11/11 5. Come agiscono i catalizzatori? I catalizzatori riducono l’energia di attivazione perché modificano il meccanismo della reazione. In questo modo un maggior numero di particelle può reagire anche se non viene modificata la temperatura. 9 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 9 9

Il calore di reazione Lezione 2 10 13/11/11 10 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 10 10

6. Gli scambi di energia tra il sistema di reazione e l’ambiente 13/11/11 6. Gli scambi di energia tra il sistema di reazione e l’ambiente Il calore di reazione (Q) è il calore scambiato dal sistema con l’ambiente nel corso di una reazione chimica. reazioni esotermiche reagenti → prodotti + Q reazioni endotermiche Q + reagenti → prodotti 11 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 11 11

7. Il calore di reazione non dipende dalla velocità di reazione /1 13/11/11 7. Il calore di reazione non dipende dalla velocità di reazione /1 La trasformazione dei reagenti in complesso attivato richiede energia; il passaggio da complesso attivato a prodotti libera energia. In una reazione esotermica, l’energia di attivazione è inferiore all’energia liberata quando il complesso si trasforma nei prodotti. 12 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 12 12

7. Il calore di reazione non dipende dalla velocità di reazione /2 13/11/11 7. Il calore di reazione non dipende dalla velocità di reazione /2 In una reazione endotermica, l’energia liberata quando il complesso si trasforma nei prodotti è inferiore all’energia di attivazione. 13 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 13 13

8. Il calorimetro e le calorie 13/11/11 8. Il calorimetro e le calorie Il calore di reazione si misura sperimentalmente e si esprime in joule o in calorie. Una caloria è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di un grammo di acqua liquida. 1 cal = 4,184 J 14 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 14 14

9. Il fabbisogno energetico nei viventi 13/11/11 9. Il fabbisogno energetico nei viventi Il tasso metabolico basale, o BMR, indica la quantità di energia consumata da un organismo a riposo, in un ambiente a temperatura neutra. Ogni organismo ha un fabbisogno energetico giornaliero, normalmente espresso in kilocalorie, che corrisponde al BMR sommato alle calorie necessarie per le diverse attività svolte. 15 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 15 15

Le reazioni reversibili e l’equilibrio 13/11/11 Lezione 3 Le reazioni reversibili e l’equilibrio 16 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 16 16

10. Molti processi chimici sono reversibili 13/11/11 10. Molti processi chimici sono reversibili Una reazione reversibile è una trasformazione in cui i reagenti possono trasformarsi in prodotti (reazione diretta) e i prodotti, a loro volta, possono trasformarsi nei reagenti (reazione inversa). 17 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 17 17

11. L’equilibrio chimico è dinamico /1 13/11/11 11. L’equilibrio chimico è dinamico /1 Una reazione reversibile, che si svolge in un sistema chiuso a temperatura costante, è all’equilibrio se le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti nella miscela di reazione non si modificano più. 18 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 18 18

11. L’equilibrio chimico è dinamico /2 13/11/11 11. L’equilibrio chimico è dinamico /2 All’equilibrio, la velocità (vd) della reazione diretta è uguale alla velocità (vi) della reazione inversa. vd = vi 19 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 19 19

Le leggi dell’equilibrio 13/11/11 Lezione 4 Le leggi dell’equilibrio 20 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 20 20

12. La legge dell’azione di massa 13/11/11 12. La legge dell’azione di massa A una data temperatura, in una miscela di reazione all’equilibrio, c’è un rapporto costante (Keq) tra il prodotto delle concentrazioni dei prodotti, elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici, e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti, anch’esse elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici. [A]a[B]b = Keq [C]c[D]d 21 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 21 21

La concentrazione è costante 13/11/11 13. Gli equilibri eterogenei Nelle reazione eterogenee, che coinvolgono sostanze in diversi stati fisici, nell’espressione della costante di equilibrio compaiono solo le concentrazioni delle sostanze allo stato di gas o in soluzione. 2Hg(l) + Cl2(g) ⇄ Hg2Cl2(g) [Hg2Cl2(g)] [Hg]2[Cl2] = K1 [Cl2] = Keq 1 La concentrazione è costante 22 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 22 22

14. Il principio di Le Châtelier /1 13/11/11 14. Il principio di Le Châtelier /1 L’equilibrio è perturbato quando un fattore esterno (variazione di concentrazione, pressione o temperatura) rende la velocità della reazione diretta diversa da quella della reazione inversa. Secondo il principio dell’equilibrio mobile di Le Châtelier, il sistema perturbato tende a opporsi all’alterazione, raggiungendo se possibile un nuovo stato di equilibrio. 23 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 23 23

14. Il principio di Le Châtelier /2 13/11/11 14. Il principio di Le Châtelier /2 24 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 24 24

La spontaneità delle reazioni 13/11/11 Lezione 5 La spontaneità delle reazioni 25 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 25 25

15. In natura non tutto può accadere 13/11/11 15. In natura non tutto può accadere Un processo fisico-chimico è spontaneo quando avviene senza la necessità di un intervento esterno. Per provocare un processo non spontaneo è necessario compiere un lavoro, cioè fornire energia al sistema. 26 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 26 26

reazioni esotermiche ΔH < 0 reazioni endotermiche ΔH > 0 13/11/11 16. Calore, lavoro e reazioni L’energia interna U di un sistema è la somma di tutte le forme di energia cinetica e potenziale delle particelle che lo costituiscono. L’entalpia H esprime il contenuto termico di un sistema, cioè la quantità di energia che esso può scambiare, a pressione costante, con l’ambiente sotto forma di calore. reazioni esotermiche ΔH < 0 reazioni endotermiche ΔH > 0 27 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 27 27

17. Le reazioni producono o riducono il disordine /1 13/11/11 17. Le reazioni producono o riducono il disordine /1 Il termine disordine indica la disposizione casuale di atomi, ioni o molecole delle sostanze. L’entropia (S) misura il grado di disordine microscopico di un sistema. Dipende dallo stato fisico, dalla natura chimica e dal numero di moli presenti nel sistema. Aumentando la temperatura, aumenta l’entropia. 28 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 28 28

17. Le reazioni producono o riducono il disordine /2 13/11/11 17. Le reazioni producono o riducono il disordine /2 Le trasformazioni con ΔS positivo indicano un aumento del disordine, quelle con ΔS una riduzione del disordine. Soluzioni e gas sono più disordinati rispetto a liquidi e solidi. 29 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 29 29

18. La spontaneità: minima energia e massimo disordine 13/11/11 18. La spontaneità: minima energia e massimo disordine I processi spontanei aumentano l’entropia dell’universo (insieme di ambiente + sistema) e ne riducono l’entalpia. L’energia libera del sistema (G): G = H – TS ΔG indica il massimo lavoro utile che un sistema può liberare in una trasformazione a temperatura e pressione costanti. reazioni spontanee ΔG < 0 reazioni non spontanee ΔG > 0 30 Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016 30 30