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 U1 ad uno stato
finale con energia interna U2, 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= (U2-U1) 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:
FINE
