Valitutti,Falasca, Amadio Chimica: molecole in movimento © Zanichelli editore 2017

Valitutti, Falasca, Amadio Chimica molecole in movimento Seconda edizione di Esploriamo la chimica.verde 2

Capitolo 15 La termodinamica Le reazioni scambiano energia con l’ambiente Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche La combustione produce calore Le funzioni di stato Valitutti,Falasca, Amadio Chimica: molecole in movimento © Zanichelli editore 2017

Capitolo 15 La termodinamica Il primo principio della termodinamica Il calore di reazione e l’entalpia L’entropia: il «disordine» di un sistema Valitutti,Falasca, Amadio Chimica: molecole in movimento © Zanichelli editore 2017

Capitolo 15 La termodinamica L’energia libera: il motore delle reazioni chimiche Valitutti,Falasca, Amadio Chimica: molecole in movimento © Zanichelli editore 2017

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente La termodinamica è la scienza che si occupa di tutti i possibili trasferimenti di energia che interessano la materia. La termochimica è il settore della termodinamica che studia gli scambi di calore che avvengono durante una reazione chimica.

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente Con il termine sistema s’intende l’oggetto di indagine. Tutto ciò che circonda il sistema costituisce l’ambiente.

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente I sistemi aperti scambiano energia e materia con l’ambiente.

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente I sistemi chiusi scambiano con l’ambiente soltanto energia ma non materia.

1. Le reazioni scambiano energia con l’ambiente I sistemi isolati non scambiano con l’ambiente né energia né materia.

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche Le reazioni che avvengono con produzione di calore, cioè trasferiscono energia dal sistema all’ambiente, si dicono esotermiche.

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore dall’ambiente si dicono endotermiche.

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche L’insieme dei reagenti in una trasformazione chimica possiede: energia chimica, che è energia potenziale dovuta alla posizione degli atomi e/o delle molecole; energia termica, che è la somma dell’energia cinetica delle particelle.

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche Quando avviene una reazione chimica si formano nuove sostanze e quindi cambiano le posizioni reciproche degli atomi e delle molecole per cui cambia l’energia chimica del sistema.

2. Trasformazioni esotermiche e trasformazioni endotermiche

3. La combustione produce calore 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 un’elevata quantità di energia.

3. La combustione produce calore La quantità di calore (kJ) emesso o assorbito da una reazione, si determina misurando la variazione di temperatura dell’ambiente esterno. Q = c  m  ΔT Q = calore c = calore specifico m = massa di acqua nel calorimetro

3. La combustione produce calore

3. La combustione produce calore Il potere calorifico esprime la quantità di calore liberato, a pressione costante, della combustione di 1 kg di combustibile.

3. La combustione produce calore Il metabolismo energetico è la serie di reazioni consecutive attraverso le quali avviene la lenta combustione degli alimenti nell’organismo.

4. Le funzioni di stato Per descrivere lo stato termodinamico vengono utilizzate apposite grandezze chiamate variabili di stato o funzioni di stato. Pressione, volume e temperatura che compaiono nell’equazione di un gas ideale son esempi di funzioni di stato.

4. Le funzioni di stato Una caratteristica fondamentale delle funzioni di stato è che la loro variazione, in seguito a una trasformazione subita dal sistema, dipende soltanto dallo stato inziale e dallo stato finale del sistema.

4. Le funzioni di stato Il calore e il lavoro non sono funzioni di stato; la temperatura invece è una funzione di stato.

5. Il primo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia può essere convertita da una forma all’altra, ma non può essere né creata né distrutta.

5. Il primo principio della termodinamica L’energia interna (U) di un sistema è una grandezza estensiva che corrisponde alla somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale di tutte le particelle che lo compongono.

5. 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

5. Il primo principio della termodinamica Per convenzione, lavoro e calore sono negativi se determinano una riduzione dell’energia interna del sistema. Sono positivi se aumentano l’energia interna del sistema.

5. Il primo principio della termodinamica 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. In questi casi dunque:

6. Il calore di reazione e l’entalpia Il calore che si sviluppa in una reazione con formazione di prodotti gassosi non corrisponde interamente alla variazione di energia interna perché il sistema compie un lavoro sull’ambiente esterno che corrisponde alla variazione di volume.

6. Il calore di reazione e l’entalpia L’entalpia, H, è una funzione di stato che tiene conto di questo lavoro di espansione: H = U + p  V

6. Il calore di reazione e l’entalpia In un sistema chimico, la variazione di entalpia ΔH è uguale al calore Qp scambiato a pressione costante Qp = ΔH = Hprodotti – Hreagenti

6. Il calore di reazione e l’entalpia ΔH = –Q reazioni esotermiche ΔH = +Q reazioni endotermiche

6. Il calore di reazione e l’entalpia L’entalpia 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.

6. Il calore di reazione e l’entalpia L’entalpia 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.

6. Il calore di reazione e l’entalpia Per convenzione, l’entalpia standard di formazione di un elemento a 25 °C e 1 bar, è uguale a zero. Un’equazione di reazione con le indicazioni sullo stato di aggregazione di reagenti e prodotti e l’indicazione dell’entalpia di reazione si chiama equazione termochimica.

7. L’entropia: il «disordine» di un sistema Le reazioni spontanee possono essere sia esotermiche che endotermiche. Le reazioni spontanee procedono sempre verso l’aumento del disordine, ovvero verso la dispersione di energia e di materia.

7. L’entropia: il «disordine» di un sistema Il livello di dispersione dell’energia, cioè il disordine del sistema, può essere espresso per mezzo di una grandezza chiamata entropia, che indichiamo con S e misuriamo in J/K. Quando ci si riferisce a una mole di sostanza si parla di entropia molare e si misura in J/(K  mol)

7. L’entropia: il «disordine» di un sistema La variazione di entropia ΔS° corrisponde alla differenza tra l’entropia dei prodotti e quella dei reagenti. ΔS° = ΣS°prodotti – ΣS°reagenti

8. L’energia libera: il motore delle reazioni chimiche L’energia libera G è una grandezza termodinamica che dipende dall’entalpia, dalla temperatura assoluta e dall’entropia del sistema: G = H – TS

8. L’energia libera: il motore delle reazioni chimiche Durante una reazione a temperatura e pressione costanti si ha una variazione dell’energia libera espressa dalla relazione: ΔG = ΔH – TΔS Una qualsiasi trasformazione fisica o chimica è spontanea se la variazione di energia libera è negativa cioè ΔG < 0.

8. L’energia libera: il motore delle reazioni chimiche