Una soluzione è un sistema omogeneo (cioè costituito da una sola fase, che può essere liquida, solida o gassosa) a due o più componenti.

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1 Una soluzione è un sistema omogeneo (cioè costituito da una sola fase, che può essere liquida, solida o gassosa) a due o più componenti. Solvente (componente presente in maggior quantità) SOLUZIONE Soluti liquidi o solidi SOLVENTE O La composizione di una soluzione è definita se si conosce la natura chimica del solvente e del soluto e le loro quantità relative. La concentrazione è la grandezza che esprime la quantità relativa di un componente delle soluzioni; si può esprimere in unità diverse. MOLARITA (M) di una soluzione è il numero di moli di soluto contenute in un litro di soluzione M n moli di soluto moli = = l di soluzione l ESEMPIO: una soluzione contiene in un volume di 5ml g 3,5 di NO 3. Calcolare la molarità. 3,5 M = 63 = M,5 ESEMPIO: una soluzione di Cl è,m. Calcolare la molarità della soluzione ottenuta diluendo ml di questa soluzione con acqua pura fino ad un volume totale di 5ml moli = M (l di soluzione) =,, =,, M = =, 4M,5

2 TERMODINAMICA UNITA DI MISURA: nel SI qualunque forma di energia (calore, lavoro di qualsiasi natura) viene misurata con il Joule (J). Il calore (Q) in genere è misurato in calorie. La caloria è definita come la quantità di calore equivalente a 4,848 Joule. Un multiplo della caloria è la Kilo-caloria (Kcal). Il lavoro meccanico (L) è misurato dal prodotto di una forza per lo spostamento. L = F s [ J ] = [ N ] [ m] un particolare tipo di lavoro meccanico è quello di espansione: quando il volume di un sistema cambia, passando da V a V, sotto la pressione esterna costante P, il lavoro di espansione è dato dal prodotto: L = P( V V ) = P P [ litro atmosfera] litroatmosfera=,33 joule cal = 4,84 joule =, 43litri atmosfera joule =,39cal = 9,87 3 litri atmosfera esempio: calcolare il lavoro necessario per gonfiare un pallone sonda fino al volume di 5 m 3 contro una pressione esterna costante di atm. Si consideri trascurabile il volume iniziale. IL LAVORO MECCANI DI ESPANSIONE E : 6 L = P( V = PV =,5 litri atmosfere V ) 6,5 8 = 3 =,7 J 9,87

3 I PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA: Quando un sistema nel passare da uno stadio iniziale () ad uno stadio finale (), scambia con l esterno una quantità di calore Q e una quantità di lavoro L, la sua energia interna U subisce una variazione pari a : U U = U = Q L Per convenzione: Q assume segno positivo se viene acquistato dal sistema, segno negativo se ceduto dal sistema; L è positivo se il lavoro è fatto dal sistema e negativo se il lavoro è fatto dall ambiente sul sistema. > Q SISTEMA Q< Ciascun sistema in uno stato definito (P,T) ha un contenuto di energia interna U anch esso definito. NON è possibile conoscere il valore assoluto della energia interna; è possibile valutare il U dovuto ad una trasformazione del sistema. L ENERGIA INTERNA E UNA FUNZIONE DI STATO, cioè la sua variazione U dipende soltanto dallo stato iniziale e finale del sistema, e non dal modo in cui la trasformazione è realizzata. 3 QUANDO UNA TRASFORMAZIONE AVVIENE A VOLUME STANTE NON SI A LAVORO DI ESPANSIONE E SE NON SI A SCAMBIO DI ALTRE FORME DI LAVORO (MECCANI, ELETTRI) SI A L= E LA TRASFORMAZIONE SI DICE ISORA ENTALPIA dal I PRINCIPIO = U + PV U = Q V In una trasformazione isobara la variazione di entalpia è: = U + P V + V P = U + P V Q V calore scambiato a volume costante dal I principio: U = Q L = Q ( PV ) = Q V P P V = U + P V Q P 3

4 = Q P LA VARIAZIONE DI ENTALPIA E UGUALE AL CALORE Q P SCAMBIATO A P STANTE L ENTALPIA E UNA FUNZIONE DI STATO; E UNA ENERGIA; UNITA DI MISURA (Kcal, J); E POSSIBILE DETERMINARE LE VARIAZIONI DI ENTALPIA E NON IL SUO VALORE ASSOLUTO esempio: calcolare la variazione di energia interna U, e di entalpia, di un sistema costituito da mole di acqua liquida a C che passo allo stato di vapore a C sotto la pressione costante di atm. Il calore assorbito dal sistema (=calore latente di evaporazione dell acqua) equivale 973 cal. Si assuma che il vapor d acqua segue l equazione di stato dei gas ideali e si trascuri il volume del liquido. = Q P Essendo che il calore è assorbito dal sistema = 973cal convenzionalmente assume il segno positivo U = Q L Q P V V ) = Q PV V = RT n P = (,8 373 = = 3,6l L = PV = 3. 6l atm = 3,6 4, = 74cal Il lavoro è compiuto dal sistema (si espande); assume segno positivo. U = = 8989cal 4

5 QUASI LA TOTALITA DELLE REAZIONI CIMICE SONO ACMPAGNATE DALLO SVILUPPO O DALL ASSORBIMENTO DI CALORE: SE CEDE CALORE ALL ESTERNO LA REAZIONE E ESOTERMICA SE ASSORBE CALORE DALL ESTERNO LA REAZIONE E ENDOTERMICA Dato che i processi ordinari della vita quotidiana avvengono a P costante (P atmosferica) il calore scambiato equivale alla variazione di entalpia. ESOTERMICA< ENDOTERMICA> Il calore di reazione dipende, oltre che dalla reazione considerata, da altri fattori che sono:. Quantità delle sostanze trasformate, che vengono espresse dalla equazione di reazione. + O O associato a questa reazione si riferisce alla formazione di mole di acqua + O O associato a questa reazione si riferisce alla formazione di moli di acqua =. Senso in cui la reazione avviene. La variazione di entalpia ad una reazione è uguale e contraria alla variazione di entalpia associata alla reazione inversa. = diretta inversa 3. Stato di aggregazione dei reattivi e dei prodotti. 4. Temperatura e pressione a cui la reazione ha luogo. Per poter confrontare le variazioni di entalpia di reazioni diverse, si è fissato uno stato di riferimento detto stato standard. Una sostanza si trova nello stato standard quando si trova allo stato puro alla temperatura di 5 C ed alla pressione di atmosfera nello stato di aggregazione più stabile. c.s. :gas a 5 C ed atm c.s. O :liquido a 5 C ed atm c.s. C :grafite (forma cristallina più stabile del carbonio elementare) a 5 C ed atm 5

6 Quando tutte le sostanze interessate ad una reazione sono nel loro stato standard, la variazione di entalpia si definisce variazione standard di entalpia ( ) + O O ( ) mole :gas a 5 C ed atm / mole O :gas a 5 C ed atm mole O :liquido a 5 C ed atm NON E POSSIBILE VALUTARE IL VALORE ASSOLUTO DELL ENTALPIA DI UN SISTEMA PER NVENZIONE SI E ASSEGNATO UN VALORE DI ENTALPIA PARI A ZERO A TUTTI GLI ELEMENTI NEL LORO STATO STANDARD. ( entalpia standard dimole di idrogeno a 5 C eatm) = C = ( entalpia standard dimole di C elementare a 5 C eatm) Per tutti gli elementi l entalpia standard di formazione: f = L entalpia molare standard di formazione di un composto è definita come la variazione di entalpia che accompagna la formazione di mole del composto, (nel suo stato standard) a partire degli elementi che lo compongono, anch essi nel loro stato standard esempio: entalpia molare standard di formazione dell acqua + O O ( gas, T = 5 C, P = atm) + O ( gas, T = 5 C, P = atm) O( liq, T = 5 C, P = atm) In tale trasformazione si liberano 68,3Kcal O f = 68,3Kcal / mole REAZIONE ESOTERMICA 6

7 LEGGE DI ESSE IL CALORE ASSORBITO O SVILUPPATO IN UNA REAZIONE CIMICA CE AVVIENE A PRESSIONE STANTE E LO STESSO, SIA CE LA REAZIONE AVVENGA IN UNO STADIO CE IN PIU STADI. E definito come entalpia di reazione Applicando la legge di esse è possibile calcolare il calore di reazione per quelle reazioni che non è possibile o conveniente studiare direttamente. esempio: calcolare la variazione di entalpia standard per la reazione: ( g ) + O ( g ) ( g ) conoscendo le variazioni di entalpia standard delle reazioni: C s O ( ) + = 94, 5Kcal ( g ) ( g ) C( s) + O g 6, 4Kcal ( g ) ( ) = C + O ( s) ( g ) ( g ) a Per la legge di esse: ( g) + O = ( g) b = a + b = 6,4+ = 94,5 b b = 94,5 + 6,4 = Kcal 7

8 esempio: calcolare la variazione di entalpia standard ( ) per la reazione: essendo noti: = 6,4Kcal f ( ) / + O ( g ) ( l) ( l) mol f ( O) = 68,3Kcal / mol f ( ) = 97,8Kcal / mol + C + O a + + O b + O ( g) ( l) ( l) c a b c C + C + O = ( l) f ( ) oppure ( s) + O ( ) ( g ) g f() + O ( ) O( l ) g f( O) O + ( g ) = ( l) f per la legge di esse: = 97,8 = 6,4 68, 3+ x x = 3, La variazione di entalpia standard di una reazione, è pari alla somma delle entalpie standard di formazione, f, dei prodotti di reazione, meno la somma delle entalpie standard di formazione dei prodotti di partenza. Tutti i valori di f devono essere moltiplicati per il coefficiente stechiometrico con cui la sostanza relativa compare nell equazione di reazione: aa + bb cc + dd = c + d ( a + b ) f ( C ) x f ( D) f ( A) f ( B) 8

9 esempio:la combustione di g di CS secondo l equazione: CS + + 3O ( ) ( g ) SO l ( g ) libera a 5 C e atm, 3,38Kcal. Date le entalpie standard di formazione: f ( ) = 94Kcal / mole; = 7Kcal mole determinare f di CS n = = =,3 moli di CS PM 76 / f ( SO ) 3,38Kcal :,3 moli di CS = x : x = 57 Kcal = 57Kcal / mole = f ( ) + f ( SO ) ( f ( CS ) + 3 f ( O = kcal mole = / f ( CS ) ) ) La variazione di entalpia standard associata alla combustione della sostanza con eccesso di ossigeno, in seguito alla quale si ha formazione di (g) è detta calore di combustione. 9

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