Energia nelle reazioni chimiche Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti
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Introduzione (I) L energia chimica è dovuta al particolare arrangiamento degli atomi nei composti chimici e le varie forme di energia osservate durante le reazioni chimiche riflettono le trasformazioni che avvengono nei legami chimici che tengono insieme gli atomi nei composti. Infatti, una reazione chimica comporta sempre la rottura dei legami esistenti nei reagenti e la formazione di nuovi legami nei prodotti.
Introduzione (II) Queste trasformazioni possono essere esoenergetiche se c è un rilascio di energia nell ambiente, ed endoenergetiche se c è invece assorbimento di energia da parte dei componenti della reazione. Nelle reazioni esoenergetiche, i prodotti possiedono meno energia chimica dei reagenti e quindi una parte dell energia chimica si trasforma in altre forme di energia. Al contrario, nelle reazione endoenergetiche i prodotti possiedono più energia chimica dei reagenti e altre forme di energia si trasformano in energia chimica.
Termodinamica e termochimica Le reazioni chimiche, modificando le molecole, determinano necessariamente anche un cambiamento nelle forme dell energia. Ad esempio, nella reazione di combustione del metano l'energia chimica delle molecole dei gas si trasforma in calore; mentre nella fotosintesi l 弾 nergia solare diviene energia chimica attraverso la sintesi del glucosio. La termodinamica è la branca della scienza che studia le relazioni tra il calore e le altre forme di energia coinvolte in un processo fisico o chimico. In questa lezione ci occuperemo prevalentemente dei trasferimenti di calore nelle reazioni chimiche (termochimica).
Il primo principio della termodinamica Benché l energia si presenti in forme diverse durante la conversione da una forma in un altra, la quantità totale rimane costante. L affermazione, nota come principio di conservazione dell energia, costituisce il primo principio della termodinamica
L'energia interna (U) La somma delle energie possedute dalle particelle che costituiscono un sistema prende il nome di energia interna (U). Questa dipende dal tipo e dal numero delle particelle, è quindi una grandezza estensiva ed è una funzione di stato. U è la somma dell energia cinetica e dell energia potenziale di tutte le particelle che lo costituiscono.
L'energia cinetica E' dovuta all agitazione termica degli atomi, ioni e molecole che compongono il sistema ed è detta anche energia termica. E' associata a tre diversi tipi di moto: traslazionale, rotazionale e vibrazionale.
L'energia potenziale Dipende dalle interazioni tra le particelle che la costituiscono e quindi dalla posizione relativa delle particelle Essa viene denominata energia chimica Il suo valore rimane definito sulla base della sua composizione e del suo stato di aggregazione, mentre un cambiamento di temperatura che non causa trasformazioni chimiche o cambiamenti di stato non produce sensibili variazioni.
Primo principio della termodinamica e scambi energetici (I) Il valore assoluto della U di un sistema in un determinato stato non è noto. Infatti la termodinamica non si interessa dei valori assoluti del contenuto di energia, ma solo delle differenze fra i valori dell energia del sistema prima e dopo una trasformazione. In base al primo principio, uno scambio di energia tra sistema e ambiente determina una variazione dell energia interna. Questi scambi possono avvenire o sotto forma di lavoro o per passaggio di calore, due modi di trasferimento equivalenti di energia.
Primo principio della termodinamica e scambi energetici (II) Se un sistema chiuso passa da uno stato iniziale 1 con energia interna U 1 ad uno stato finale con energia interna U 2, esso scambia energia con l ambiente. Indicando con L e Q le quantità di lavoro e di calore scambiate, la variazione di energia interna ΔU= (U 2 -U 1 ) è espressa dalla relazione: ΔU = Q - L
Primo principio della termodinamica e scambi energetici (III) Q e L non sono funzioni di stato, poiché i loro valori dipendono dal tipo di percorso seguito per passare dallo stato iniziale a quello finale. Per esempio consideriamo due modi di scaricare una batteria a temperatura costante. Se la batteria è collegata ad una resistenza elettrica tutta l energia sarà trasformata in calore che verrà rilasciato verso l ambiente. Al contrario se un motore elettrico è collegato alla batteria, questa, oltre a rilasciare calore produrrà lavoro meccanico. I valori di Q ed L sono diversi nei due casi dimostrando che non sono funzioni di stato. Solo la loro somma algebrica rimane costante, perché si identifica con la variazione di energia interna
Interpretazione molecolare di ΔU (I) Da un punto di vista molecolare, la variazione di energia interna può essere interpretata come una parziale rottura di legami presenti tra gli atomi delle molecole reagenti e la successiva formazione di nuovi legami nelle molecole dei prodotti. L energia chimica del sistema prima della reazione è data dalla somma dell energia chimica dei reagenti, mentre l energia chimica al termine della reazione corrisponde a quella delle sostanze prodotte.
Interpretazione molecolare di ΔU (II) La prima parte del processo richiede assorbimento di energia dall ambiente per rompere i legami esistenti tra gli atomi, mentre nella seconda parte del processo, la formazione di nuovi legami rilascia energia. In un sistema non isolato, la differenza nell energia chimica dei reagenti e quella dei prodotti determina una variazione nell energia termica dell ambiente.
Reazioni endotermiche ed esotermiche (I) Nel caso in cui l energia assorbita per rompere i legami dei reagenti sia più grande di quella rilasciata nella formazione dei prodotti, l energia potenziale del sistema aumenta a spese del calore assorbito dall ambiente:questo tipo di reazioni sono dette endotermiche. Nel caso opposto, quando l energia rilasciata dai prodotti è più grande di quella assorbita nella rottura dei legami dei reagenti iniziali, l energia potenziale del sistema diminuisce e si ha una reazione esotermica in cui l energia è dispersa come calore, ovvero incrementa l energia cinetica media del sistema e dell ambiente.
Reazioni endotermiche ed esotermiche (II) Esempio: Per trasformare l ossigeno e il metano in anidride carbonica ed acqua è necessario allontanare gli atomi dalle rispettive molecole ed è quindi necessario fornire energia per aumentare l energia potenziale del sistema. Gli atomi di ossigeno, idrogeno e carbonio possono poi combinarsi per formare le molecole finali. Durante l avvicinamento degli atomi diminuisce l energia potenziale ed essendo questa minore rispetto all inizio del processo si libera energia (reazione esotermica)
Reazioni endotermiche ed esotermiche (III) Alcune reazioni esotermiche producono grandi quantità di calore e il conseguente aumento della temperatura dell ambiente. Un esempio è la reazione della polvere di alluminio con l ossido di ferro, conosciuta con il nome reazione della termite:
Reazioni endotermiche ed esotermiche (IV) Un esempio invece di reazione endotermica che determina un notevole abbassamento della temperatura esterna è quella tra l idrossido di bario e il tiocianato di ammonio:
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