Termochimica. Capitolo 6

Transcript

1 Termochimica Capitolo 6

2 L energia è la capacità di compiere lavoro L energia radiante proviene dal sole ed è la fonte primaria di energia sulla Terra L energia termica è l energia associata al moto casuale degli atomi e delle molecole L energia chimica è l energia immagazzinata nei legami delle sostanze chimiche L energia nucleare è l energia immagazzinata nell ammasso di protoni e neutroni che ci sono nel nucleo L energia potenziale è l energia disponibile in virtù della posizione di un oggetto

3 Variazioni di energia nelle reazioni chimiche Il calore è il trasferimento di energia termica fra due corpi che si trovano a differenti temperature. La temperatura è una misura dell energia termica. Temperatura = Energia termica 90 0 C 40 0 C Maggiore energia termica

4 La termochimica è lo studio delle variazioni di calore nelle reazioni chimiche. Il sistema è la parte specifica dell universo che ci interessa nel nostro studio. Scambio: aperto massa & energia chiuso energia isolato niente

5 Un processo esotermico è qualsiasi processo che libera calore e trasferisce calore dal sistema all ambiente. 2H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O (g) 2H 2 O (l) + energia H 2 O (l) + energia Un processo endotermico è qualsiasi processo nel quale il calore deve essere fornito al sistema dall ambiente. energia + 2HgO (s) energia + H 2 O (s) 2Hg (l) + O 2 (g) H 2 O (l)

6 Esotermico Endotermico

7 La termodinamica è lo studio scientifico della interconversione del calore e degli altri tipi di energia. Le funzioni di stato sono proprietà che sono determinate dallo stato del sistema, indipendentemente da come lo stato viene raggiunto. energia, pressione, volume, temperatura ΔE = E finale - E iniziale ΔP = P finale - P iniziale L energia potenziale dello scalatore 1 e dello scalatore 2 è la stessa anche se hanno percorso sentieri differenti. ΔV = V finale - V iniziale ΔT = T finale - T iniziale

8 Primo principio della termodinamica l energia può essere convertita da una forma all altra ma non può essere né creata né distrutta. ΔE sistema + ΔE ambiente = 0 o ΔE sistema = -ΔE ambiente C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O Reazione chimica esotermica! Energia chimica liberata per combustione = Energia guadagnata dal sistema dall ambiente

9 Un altra forma del primo principio con ΔE sistema ΔE = q + w ΔE è la variazione dell energia interna di un sistema q è lo scambio di calore fra il sistema e l ambiente w è il lavoro compiuto sul (o dal) sistema w = -PΔV quando un gas si espande contro una pressione esterna costante

10 w = F x d Lavoro compiuto sul sistema w = -P ΔV P x V = F d 2 x d 3 = F x d = w ΔV > 0 -PΔV < 0 w sis < 0 Il lavoro non è una funzione di stato Δw = w finale - w iniziale iniziale finale

11 Un campione di azoto si espande da un volume di 1.6 L a uno di 5.4 L a temperatura costante. Qual è il lavoro compiuto, in joule, se il gas si espande (a) contro il vuoto e (b) contro una pressione costante di 3.7 atm? w = -P ΔV (a) ΔV = 5.4 L 1.6 L = 3.8 L P = 0 atm W = -0 atm x 3.8 L = 0 L atm = 0 joules (b) ΔV = 5.4 L 1.6 L = 3.8 L P = 3.7 atm w = -3.7 atm x 3.8 L = L atm w = L atm x J 1L atm = J

12 La chimica all opera: facciamo nevicare ΔE = q + w q = 0 w < 0, ΔE < 0 ΔE = CΔT ΔT < 0, NEVE!

13 Entalpia e il primo principio della termodinamica ΔE = q + w A pressione costante: q = ΔH e w = -PΔV ΔE = ΔH - PΔV ΔH = ΔE + PΔV

14 Entalpia (H) è usato per quantificare il flusso di calore dentro e fuori dal sistema in un processo che si verifica a pressione costante. ΔH = H (prodotti) H (reagenti) ΔH = calore liberato o assorbito in una reazione a pressione costante. H prodotti < H reagenti H prodotti > H reagenti ΔH < 0 ΔH > 0

15 Equazioni termochimiche ΔH è negativo or positivo? Il sistema assorbe calore Endotermico ΔH > kj sono assorbiti per ogni 1 mole di ghiaccio che fonde a 0 0 C e 1 atm. H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH = 6.01 kj

16 Equazioni termochimiche ΔH è negativo o positivo? Il sistema libera calore Esotermica ΔH < kj sono rilasciati per ogni 1 mole di metano che è bruciato a 25 0 C e 1 atm. CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O (l) ΔH = kj

17 Equazioni termochimiche I coefficienti stechiometrici si riferiscono sempre al numero di moli di una sostanza H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH = 6.01 kj Se rovesci l equazione il segno del ΔH cambia H 2 O (l) H 2 O (s) ΔH = kj Se moltiplichi entrambi i lati dell equazione di un fattore n, allora anche ΔH deve variare dello stesso fattore n. 2H 2 O (s) 2H 2 O (l) ΔH = 2 x 6.01 = 12.0 kj

18 Equazioni termochimiche Gli stati fisici di tutti I reagenti e dei prodotti nelle equazioni termochimiche deve sempre essere specificato. H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH = 6.01 kj H 2 O (l) H 2 O (g) ΔH = 44.0 kj Quanto calore si sviluppa quando 266 g di fosforo bianco (P 4 )brucia all aria? P 4 (s) + 5O 2 (g) P 4 O 10 (s) ΔH = kj 266 g P 4 x 1 mol P g P 4 x 3013 kj 1 mol P 4 = 6470 kj

19 Un confronto fra ΔH e ΔE 2Na (s) + 2H 2 O (l) ΔE = ΔH - PΔV 2NaOH (aq) + H 2 (g) ΔH = kj/mol A 25 0 C, 1 mole H 2 = 24.5 L a 1 atm PΔV = 1 atm x 24.5 L = 2.5 kj ΔE = kj/mol 2.5 kj/mol = kj/mol

20 Il calore specifico (s) di una sostanza è la quantità di calore (q) richieste per aumentare la temperatura di un grammo della sostanza di un grado Celsius. La capacità termica (C) di una sostanza è data dalla quantità di calore (q) richiesta per aumentare la temperatura di una data quantità (m) della sostanza di un grado Celsius. C = m x s Calore (q) assorbito o liberato: q = m x s x Δt q = C x Δt Δt = t finale - t iniziale

21 Quanto calore è liberato quando una barra di 869 g di ferro si raffredda da 94 0 C a 5 0 C? s del Fe = J/g 0 C Δt = t finale t iniziale = 5 0 C 94 0 C = C q = msδt = 869 g x J/g 0 C x 89 0 C = -34,000 J

22 Calorimetria a volume costante q sis = q acqua + q bomba + q reaz q sis = 0 q reaz = - (q acqua + q bomba ) q acqua = m x s x Δt q bomba = C bomba x Δt Reazione a V costante ΔH = q reaz Il calore non entra e non esce! ΔH ~ q reaz

23 Calorimetria a pressione costante Il calore non entra e non esce! q sis = q acqua + q cal + q reaz q sis = 0 q reaz = - (q acqua + q cal ) q acqua = m x s x Δt q cal = C cal x Δt Reazione a P costante ΔH = q rxn

24

25 La chimica all opera: Contenuto calorico dei cibi e di altre sostanze C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O (l) ΔH = kj/mol 1 cal = J 1 Cal = 1000 cal = 4184 J Sostanza ΔH combustione (kj/g) Mela -2 Manzo -8 Birra -1.5 Benzina -34

26 Poiché non c è modo di misurare il valore assoluto dell entalpia di una sostanza, devo misurare le variazioni di entalpia per ogni reazione che mi interessa? Stabiliamo una scala arbitraria con l entalpia standard di formazione (ΔHf 0 ) come punto di riferimento per tutte le espressioni dell entalpia. Entalpia standard di formazione (ΔH 0 ) è la variazione di f calore che si verifica quando una mole di un composto è formato dai suoi elementi ad una pressione di 1 atm. L entalpia standard di formazione di qualsiasi elemento nella sua forma più stabile è zero. ΔH 0 (O 2 ) = 0 f ΔH 0 (O 3 ) = 142 kj/mol f ΔH 0 (C, grafite) = 0 f ΔH 0 (C, diamante) = 1.90 kj/mol f

27

28 L entalpia standard di reazione (ΔH 0 reazione fatta avvenire a 1 atm. reaz ) è l entalpia di una aa + bb cc + dd ΔH 0 reaz = [ cδh 0 f (C) + dδh 0 (D) ] - [ aδh 0 f (A) + bδh 0 f (B) ] ΔH 0 reaz f = Σ nδh 0 f (prodotti) - Σ mδhf 0 (reagenti) Legge di Hess: Quando i reagenti sono convertiti in prodotti, la variazione di entalpia è la stessa indipendentemente che la reazione avvenga in uno o in più passaggi. (L entalpia è una funzione di stato. Non importa come ci si arriva, ma soltanto da dove si parte e dove si arriva.)

29 C (grafite) + 1/2O 2 (g) CO (g) + 1/2O 2 (g) C (grafite) + O 2 (g) CO (g) CO 2 (g) CO 2 (g)

30 Calcola l entalpia standard di formazione del CS 2 (l) sapendo che: C(grafite) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH 0 = kj rxn S(rombico) + O 2 (g) SO 2 (g) ΔH 0 = kj rxn CS 2 (l) + 3O 2 (g) CO 2 (g) + 2SO 2 (g) ΔH 0 = kj rxn 1. Scrivi la reazione per l entalpia formazione del CS 2 C(grafite) + 2S(rombica) CS 2 (l) 2. Somma le reazioni in modo che il risultato quella desiderata C(grafite) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH 0 = kj 2S(rombico) + 2O 2 (g) 2SO 2 (g) ΔH 0 = x2 kj rxn CO 2 (g) + 2SO 2 (g) C(grafite) + 2S(rombico) rxn CS 2 (l) + 3O 2 (g) ΔH 0 = kj rxn CS 2 (l) ΔH 0 = (2x-296.1) = 86.3 kj rxn

31 Il benzene (C 6 H 6 ) brucia all aria per dare anidride carbonica e acqua liquida. Quanto calore si liberaper ogni mole di benzene bruciato? L entalpia standard di formazione del benzene è kj/mol. 2C 6 H 6 (l) + 15O 2 (g) 12CO 2 (g) + 6H 2 O (l) ΔH 0 reaz = Σ nδh 0 f (prodotti) - Σ mδhf 0 (reagenti) ΔH 0 reaz = [ 12ΔH 0 (CO 6ΔH 0 2 ) + (H 2 O) ] - [ 2ΔH 0 (C 6 H 6 )] f f ΔH 0 reaz = [ 12x x ] [ 2x49.04 ] = kj f kj 2 mol = kj/mol C 6 H 6 6.6

32 La chimica all opera: la difesa dei coleotteri bombardieri C 6 H 4 (OH) 2 (aq) + H 2 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) + 2H 2 O (l) ΔH 0 =? C 6 H 4 (OH) 2 (aq) H 2 O 2 (aq) C 6 H 4 O 2 (aq) + H 2 (g) ΔH 0 = 177 kj/mol H 2 O (l) + ½O 2 (g) ΔH 0 = kj/mol H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O (l) ΔH0 = -286 kj/mol ΔH 0 = = -204 kj/mol Esotermica!

33 L entalpia di soluzione (ΔH soln ) è il calore generato o assorbito quando una certa quantità di soluto si discioglie in una certa quantità di solvente. ΔH soln = H soln - H componenti Quale sostanza può essere usata per sciogliere il ghiaccio? Quale sostanza può essere usata per preparare un impacco freddo? 6.7

34 Il processo di dissoluzione dell NaCl ΔH soln = Stadio 1 + Stadio 2 = = 4 kj/mol