L’ENERGIA NELLE REAZIONI CHIMICHE

CLASSI SECONDE

ITI GALILEI

Alessandra Scattarregia

OBBIETTIVI DI CONOSCENZA DELLA LEZIONE:

1. descrivere che cosa si intende per reazione esotermica e reazione endotermica;

2. enunciare il concetto di entalpia;

3. descrivere l'emissione o l'assorbimento di energia in una trasformazione chimica mediante l'energia di legame delle molecole;

4. descrivere il concetto di entropia;

5. definire l'energia libera G in funzione dell'entalpia, della temperatura e dell'entropia di una trasformazione.

OBBIETTIVI DI CAPACITA' E COMPETENZA DELLA LEZIONE:

1. distinguere le reazioni endo da quelle esotermiche;

2. calcolare l'energia di una reazione e il ∆H tramite le energie di legame;

3. predire il segno della variazione di entropia di una reazione chimica;

4. calcolare la variazione di energia libera di una reazione;

5.mettere in relazione tra loro l'entalpia, l'entropia e l'energia libera di una reazione .

LO SVILUPPO DI ENERGIA NELLE REAZIONI: reazioni esotermiche

La reazione di combustione del METANO.

L’energia complessiva delle molecole dei reagenti è maggiore dell’energia complessiva delle molecole dei prodotti.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 890 kJ/mole

LA RICHIESTE DI ENERGIA NELLE REAZIONI: reazioni endotermiche

La reazione di fotosintesi.

L’energia complessiva delle molecole dei reagenti è minore dell’energia complessiva delle molecole dei prodotti.

6 CO2 + 6 H2O + 686

Kilocalorie/mole → C6H12O6 + 6

O2 1 cal = 4,184 joule

LA RICHIESTE DI ENERGIA NELLE REAZIONI: reazioni endotermiche

La reazione tra azoto ed ossigeno

N2 + O2 + 181 kJ → 2 NO

NO reagisce spontaneamente all’aria per dare il biossido di azoto

2 NO + O2 + → 2 NO2

L'ossido di azoto viene utilizzato per la preparazione di miscele gassose campioni usate per il controllo dell'inquinamento atmosferico. È trasportato compresso in bombole. Miscelato ad ossigeno (miscela 1:1) si può utilizzare come anestetico

inalatorio

Sperimentalmente si verifica che il calore svolto o assorbito in una reazione chimica dipende dallo stato iniziale e finale del sistema, quindi da T, P, dalla massa e dallo stato di aggregazione dei reagenti e dei prodotti.

Le reazioni possono essere condotte in condizioni sperimentali diverse, ad esempio: a T e V costanti (in un reattore a volume costante)‏ oppure

a T e P costanti (in un reattore mantenuto a P = 1 atm)

La maggior parte delle reazioni chimiche è condotta a T e P costanti, per cui il calore ad esse associato è rappresentato dalla variazione di entalpia ∆H.

La determinazione sperimentale dei calori di reazione è condotta in apparecchiature opportune chiamate calorimetri.

ENTALPIA

In una reazione esotermica il ∆H è negativo.

In una reazione endotermica il ∆H è positivo.

ENTALPIA

ESOTERMICA ENDOTERMICA

BOMBA CALORIMETRICA

Q = m x c x ΔT

ENTALPIA MOLARE STANDARD DI FORMAZIONE

Per entalpia molare standard di formazione di una sostanza, che si indica con il simbolo ∆Hf

° si definisce il calore assorbito o sviluppato nella formazione di una mole del composto a partire dagli elementi.

H2 + ½ O2 H2O ∆Hf° = -285,8

kJ/mol

3/2 O2 O3 ∆Hf° = + 143 kJ/mol

DISORDINE ED ENTROPIALa chimica è interessata al disordine in relazione allo stato delle particelle che costituiscono un sistema chimico.

Il disordine è prima di tutto in relazione con lo STATO FISICO delle sostanze.

SOLIDI = STRUTTURE ORDINATELIQUIDI = STRUTTURE CON MAGGIORE MOVIMENTO DELLE PARTICELLEGAS = PARTICELLE MOLTO LIBERE DI MUOVERSI QUINDI PRSENZA DI GRANDE DISORDINE

ENTROPIAStoricamente il concetto di entropia fu introdotto per la prima volta da Clausius nel 1864. L'entropia è una grandezza nota sempre a meno di una costante additiva arbitraria. Questo fatto tuttavia non è molto rilevante perché quello che interessa conoscere di un sistema è la variazione di entropia fra due stati, non il valore della sua entropia in un certo stato. L'entropia è anche una grandezza additiva, il che significa che la variazione di entropia di un sistema costituito da più parti è uguale alla somma delle variazioni di entropia delle sue singole parti.

ENTROPIA: definizioneLa misura del grado di disordine di un sistema è chiamata ENTROPIA e si indica con la lettera maiuscola S.Le variazioni di entropia sono indicate con il ΔS.L'entropia è una funzione di stato, cioè le sue variazioni dipendono esclusivamente dallo stato finale e quello iniziale del sistema. L'entropia aumenta quando si passa da solido, a liquido a gas.L'entropia aumenta quando una sostanza solida si scioglie in un solvente.

LE DIMENSIONI DELL'ENTROPIA NON SONO QUELLE DELL'ENERGIA BENSI' DI ENERGIA/TEMPERATURA.

Clausius aveva infatti definito l'entropia come:

ΔS = ΔQ / TΔS

reazione = S

prodotti - S

reagenti

ENTROPIA: riferimento

DEFINIZIONE DI PLANK DELLO STATO DI RIFERIMENTO DELL'ENTROPIA.

Si definisce S=0 in condizioni di massimo ordine possibile, quando le molecole di un elemento puro sono completamente ferme e cioè allo stato solido cristallino allo zero assoluto (K=0 , condizione non raggiungibile in pratica). Notare che a 25°C quindi nessuno degli elementi e dei composti presenti nella tabella del testo di pagina 334 possiede valore di entropia pari a zero.

ENTROPIA E REAZIONI

L'entropia durante una reazione chimica AUMENTA se il numero di moli di prodotto è maggiore del numero di moli di reagente.

L'entropia durante una reazione chimica DIMINUISCE se il numero di moli di prodotto è minore del numero di moli di reagente.

Se lo stato fisico delle sostanze è lo stesso sia prima che dopo la reazione allora la variazione di entropia dipenderà dalla variazione del numero di moli di reagenti e di prodotti.

N2O

4 → 2 NO

2

1 mole → 2 moli

2 H2 + O

2 → 2 H

2O

3 moli → 2 moli

ENTROPIA: primo e secondo principio della termodinamica

Nel linguaggio corrente spesso vengono utilizzate frasi del tipo: L'umanità 'consuma' energia, oppure: Le risorse energetiche sulla Terra vanno 'esaurendosi' e simili. Eppure noi sappiamo che l'energia di un sistema isolato si conserva sempre. Come abbiamo già ricordato l'energia si trasforma da una forma ad un'altra, si trasferisce da un corpo ad un altro, può essere accumulata o liberata, ma si mantiene costante ( PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA). Quando si parla impropriamente di 'consumo di energia', di 'diminuzione di energia', in realtà si intende parlare di un altro fenomeno che accompagna tutti i fenomeni irreversibili: la 'degradazione' dell'energia (SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA). Immaginiamo ad esempio di bruciare una certa quantità di combustibile e di raccogliere tutti i prodotti della combustione (calore, fumo, ceneri, ecc...) : in base al I Principio possiamo affermare che essi contengono esattamente la stessa quantità di energia che era contenuta nel combustibile di partenza. Eppure è indubbio che se la quantità di energia è la stessa, la qualità è cambiata.

SPONTANEITA' DELLE REAZIONISecondo l'equazione di Gibbs una reazioni chimica può procedere spontaneamente se l'energia libera dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti, cioè se ΔG < 0.

ΔG < 0 reazione spontaneaΔG > 0 reazione non spontaneaΔG = 0 reazione all'equilibrio

ΔGreazione

= ΔGprodotti

- ΔGreagenti

ENERGIA LIBERA DI GIBBS

NELLE REAZIONI CHIMICHE HANNO UN RUOLO IMPORTANTE SIA L'ENTALPIA CHE L'ENTROPIA.

ΔG = ΔH – T ΔS

LA FUNZIONE ENERGIA LIBERA TIENE CONTO DI ENTRAMBI I FATTORI, SECONDO LA SEGUENTE EQUAZIONE