Energia e reazioni chimiche. Cap , 19-21, 27-30, 47-48, 50, 59-62

Transcript

1 CCS Biologia CCS Scienze Geologiche 1 Energia e reazioni chimiche Cap , 19-21, 27-30, 47-48, 50, Brooks/Cole - Cengage

2 Energia & Chimica 2 ENERGIA è la capacità di compiere lavoro o trasferire calore. Cinetica Potenziale CALORE è la forma di energia che fluisce fra due oggetti o sistemi a causa della loro differenza di temperatura. La TEMPERATURA di un oggetto è una misura del suo contenuto di energia termica e della sua capacità a trasferire calore.

3 Energia Potenziale (E p ) 3 L Energia Potenziale è associata alla posizione o allo stato dell oggetto ed include: L energia gravitazionale L energia potenziale chimica L energia elettrostatica

4 Energia Potenziale a Livello Atomico 4 Particelle positive e negative (ioni) si attraggono l un l altra. Quando le particelle si attraggono riducono la loro energia potenziale NaCl composto da ioni Na + e Cl

5 Energia Cinetica 5 Energia cinetica:! energia del moto! rotate vibrate translate

6 Energia Interna (E) 6 E la somma dell energia cinetica e potenziale associata a tutte le particelle (ioni, atomi, molecole) del sistema E Potenziale è associata: Alle forze di interazione fra nuclei ed elettroni Alle interazioni (intra- e intermolecolari) delle particelle E Cinetica è associata alla massa e al moto delle particelle L Energia Interna di un sistema aumenta con la temperatura

7 Termodinamica 7 Le variazioni di energia relative ai processi chimici L energia termica è associata con i moti molecolari. L energia si trasferisce in forma di calore da un oggetto caldo ad uno freddo finchè si stabilisce l equilibrio termico.

8 Definizioni Sistema : l oggetto o la reazione che si vuole studiare. Ambiente: tutto ciò che è esterno al sistema 8 aperto (scambia energia e materia) Il sistema può essere: adiabatico (non scambia materia o energia, scambia lavoro) chiuso (scambia energia, non materia) isolato (non scambia materia o energia)

9 9

10 Direzionalità del Trasferimento del Calore Processo ESOTERMICO l energia si trasferisce dal SISTEMA all AMBIENTE 10 T(sistema) diminuisce T(ambiente) aumenta

11 Direzionalità del Trasferimento del Calore Processo ENDOTERMICO l energia si trasferisce dall AMBIENTE al SISTEMA. 11 acqua + ghiaccio T(sistema) aumenta T (ambiente) diminuisce

12 Energia & Reazioni Chimiche 12 La termochimica si basa sulla legge di CONSERVAZIONE DELL ENERGIA q sist = q amb

13 UNITA di MISURA dell ENERGIA 13 L unità di misura del S.I. è il JOULE 1 caloria: calore necessario per innalzare di 1 o C (da 14,5 a 15,5 C) 1 grammo di H 2 O 1000 cal = 1 kcal 1 cal = 4,184 joules James Joule

14 Capacita Termica Specifica 14 Quando un oggetto è riscaldato o raffreddato, la quantità di energia trasferita dipende dai fattori: - La quantità di materia - La variazione di temperatura: Δ T = (T finale T iniziale ) - Il tipo di materiale (Capacità termica specifica) Si definisce capacità termica specifica il calore necessario ad innalzare di 1 grado K la temperatura di 1 grammo di sostanza. L'unità di misura nel SI è J / g K Csp = calore scambiato (J) massa (g) x T (K) l'unità di misura del calore specifico è il J / (kg K)

15 Capacità Termica Specifica 15 25,0 g di alluminio vengono raffreddati da 310 a 37 C, quanta energia (joules) perde l alluminio? Capacità termica specifica = quantità nota Al: 0,897 (J/g K) Calore scambiato (J) massa (g) x ΔT (K) 25 (g) T = T 273 (K) finale T iniziale (J / g x K) = calore scambiato (J) / (25.0 g) x ( 273 K) = 6100 J Il segno negativo indica la direzione del calore: dall alluminio (sistema) all ambiente

16 Trasferimento di Calore senza cambiamento di stato 16 q trasferito = (calore spec.)(massa)( T)

17 Trasferimento di Calore in un passaggio di stato 17 Il passaggio di stato coinvolge un trasferimento di energia a T costante Per fondere 1 grammo di ghiaccio servono 333 J (calore di fusione = 333 J/g) Calore trasferito = calore di fusione (J/g) x massa (g)

18 Curve di raffreddamento/riscaldamento dell acqua 18 riscaldamento fusione riscaldamento Calore assorbito ebollizione Calore ceduto riscaldamento 0 Nota che T è costante quando il ghiaccio fonde e quando l acqua bolle

19 Lavoro pressione-volume 19 Una reazione chimica può produrre lavoro. Lavoro (w) = forza x spostamento Lavoro derivato dall espansione o dalla compressione di un gas che origina una variazione di volume. w = P x ΔV Analisi dimensionale: w = (F/L 2 ) x L 3 = F x L ΔV = V finale V iniziale

20 calore Primo principio della termodinamica ΔE = q + w lavoro 20 La variazione di energia interna (ΔE) di un sistema è data dal bilancio del calore e lavoro scambiato tra sistema ed intorno. Un sistema contiene solo energia interna. Un sistema non contiene energia sotto forma di calore o lavoro.

21 Reazioni chimiche che avvengono a volume costante 21 Dal 1 principio della termodinamica: ΔE = q + w ΔE = q + PΔV Nel caso di una reazione in cui il volume non varia, ΔV = 0 per cui PΔV = 0 (non può esserci alcun lavoro fatto dal o sul sistema) quindi ΔE = qv Quando forniamo energia ad un sistema senza che vari il suo volume, tale energia incrementa l energia interna.

22 Reazioni chimiche che avvengono a pressione costante 22

23 23

24 Reazioni chimiche che avvengono a pressione costante 24

25 ENTALPIA e reazioni chimiche H sist = H finale H iniziale 25 Se H finale > H iniziale allora H è positiva! Il processo è ENDOTERMICO! -il sistema ha assorbito energia- Se H finale < H iniziale allora H è negativa! Il processo è ESOTERMICO! -il sistema ha rilasciato energia-" Nella sintesi di una mole d acqua si libera energia:! H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> H 2 O(g) kj!! Questa è una reazione esotermica: il calore è un prodotto della reazione; Il sistema H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) ha perso energia pari a!!!!!! H = kj!

26 Entalpia e stechiometria 26 Entalpia standard di formazione: H Quando P = 1atm; T = 25 C; Concentrazione = 1M Entalpie standard di formazione: si riferiscono ad 1 mole di composto formato a partire da elementi in condizioni standard. H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> H 2 O(g) H = -242 kj 2 H 2 (g) + O 2 (g) --> 2 H 2 O(g) H = -484 kj H 2 O(g) ---> H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> H 2 O(l) H = +242 kj H = -286 kj

27 27 Entalpia Molare Standard di Formazione, ΔH f0. L' entalpia standard di formazione di un composto è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di 1 mole di quel composto a partire dai suoi componenti elementari, nel loro stato standard. (P = 1 atm, T = 25 C, 1 mol) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) --> H 2 O(g) H f = 242 kj Il simbolo è ΔH f 0 di un composto può essere >0 o <0 (vedi tabelle nel libro) ΔH 0 f = 0 per un elemento nella sua forma più stabile e.g. Na(s), Hg(l), Cl 2 (g), Br 2 (l), H 2 (g), P 4 (s), C(s)

28 Entalpie standard di formazione, 25 C, 1atm. 28

29 Come Calcolare la Variazione di Entalpia in una Reazione 29 per una reazione a A + b B c C + d D ΔH reaz. = Σ(ΔH f prodotti) Σ(ΔH f reagenti) ΔH reaz. = c ΔH f (C) + d ΔH f (D) a ΔH f (A) b ΔH f (B) ΔH f (elemento/i) = 0 Coefficienti stechiometrici

30 Utilizzo delle entalpie std. di formazione 30 Calcolare il calore di combustione dell alcol metilico, i.e., r H o per la reazione CH 3 OH(g) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) r H o = Σ f H o (prod) Σ f H o (reag)

31 Utilizzo delle entalpie std. di formazione 31 CH 3 OH(g) + 3/2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) r H o = Σ f H o (prod) Σ f H o (reag) r H o = f H o (CO 2 ) + 2 f H o (H 2 O) {3/2 f H o (O 2 ) + f H o (CH 3 OH)} = ( kj) + 2 ( kj) {0 + ( kj)} r H o = kj per mol di alcol metilico

32 Pg. 244 n.30 32

33 33 Considerazioni: 1 L di acido pesa 1044 g e contiene 1044 g / 60,05 g/mol = 17,38 mol La reazione esotermica sviluppa 355,9 kj per ogni mole di acido prodotto, quindi 17,38 moli (prodotte) x 355,9 kj /mol = 6187 kj prodotti

34 34 Pg 246 n. 50 (b) Quale è la variazione di entalpia standard per la reazione di 2,5 mol di Mg con l ossigeno.

35 35 (b) Quale è la variazione di entalpia standard per la reazione di 2,5 mol di Mg con l ossigeno. Mg(s) + 1/2 O 2 (g) --> MgO(s) Dalla tabella L (nel Kotz) ΔH f : MgO(s) = 601,2 kj/mol Essendo il rapporto Mg / MgO di 1:1 si formeranno 2,5 mol di MgO. Quindi ΔH = - 601,2 kj/mol x 2,5 mol = kj.

36 ESERCIZI 36 1) Quanti neutroni sono presenti in un atomo di 109 In? 60 5, ) Quale delle seguenti reazioni è bilanciata correttamente? 2 C 2 H 5 OH(l) + 7 O 2 (g) ---> 4 CO 2 (g) + 6 H 2 O(l) 2 NH 3 (g) + 5 O 3 (g) ---> 2 NO(g) + 3 H 2 O(l) FeCl 3 (aq) + NaOH(aq) ---> Fe(OH) 3 (s) + NaCl(aq) Mg 3 N 2 (s) + 6 H 2 O(l) ---> 3 Mg(OH) 2 (s) + 2 NH 3 (g)

37 4) Un grammo di metano produce per combustione circa 50 kj di calore. Che cosa bisogna fare per produrre 3000 kj di calore? Allontanare la CO 2 prodotta. Bruciare 60 grammi di metano. Aumentare la quantità di ossigeno. Bruciare g of metano. 5) Quale è il nome del composto Mg 3 (PO 4 ) 2 : fosfato di magnesio fosfito di magnesio fosfuro di magnesio fosforato di magnesio 37