dall`ENERGIA in generale verso l`ENERGIA CHIMICA

dall’ENERGIA in generale verso l’ENERGIA CHIMICA
« È importante tener presente che nella fisica odierna, non abbiamo alcuna conoscenza di cosa sia l'energia. »
Richard Feynman
L'energia esiste in varie forme; le principali forme di energia sono: l’energia meccanica, definita classicamente
come somma di energia potenziale e di energia cinetica; l’energia chimica, l’energia elettromagnetica, l’energia
gravitazionale, l’energia termica, l’energia nucleare. Altre forme di energia possono essere ricondotte a quelle
elencate; ad esempio l'energia elastica è l'energia potenziale posseduta da un materiale elastico che viene
sottoposto a deformazione. L'energia luminosa o radiante invece altro non è che l'energia trasportata dei fotoni
che compongono la luce e quindi è una particolare forma di energia elettromagnetica.
Con il termine energia si intende, in generale, quella grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un
sistema di compiere lavoro. Un corpo può allora incrementare o diminuire la sua energia in seguito a una interazione
con altri corpi.
Tuttavia, tutti questi possibili processi lasciano invariata la quantità totale di energia: è il principio di conservazione
dell’energia per cui, finora, non è stato scoperto nessun processo in grado di incrementare o diminuire globalmente
l'energia, che può solo cambiare forma trasformandosi.
La celebre equazione di Einstein E=mc², mostra che ogni oggetto di massa non nulla ha energia e che l'energia
contribuisce alla resistenza di corpo a essere accelerato. Ma si ricava anche che la massa di un corpo può essere
trasformata in energia e viceversa. Nei processi nucleari ad esempio il decadimento dei metalli pesanti come
l'uranio in elementi più leggeri comporta un difetto di massa corrispondente alla liberazione di energia sotto
forma di radiazione.
Rispetto quindi alla meccanica classica, dove la massa e l'energia sono separatamente conservate, qui i due
principi fisici possono essere fusi in un principio unico sotto la denominazione di principio di conservazione della
massa/energia.
L'energia è una grandezza fisica estensiva (l'energia di due corpi è semplicemente la somma delle energie dei corpi
presi singolarmente).
L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale per l'energia è il joule (simbolo: J); in termini di unità
fondamentali del SI, 1 J è pari a 1 kg·m2·s−2. Un joule è il lavoro svolto esercitando la forza di un newton per una
distanza di un metro, perciò la stessa quantità può essere riferita come newton×metro.
Ricordiamo infine che la maggior parte dell’energia a nostra disposizione proviene direttamente o
indirettamente dal sole, la fonte primaria fonte di calore.
Energia cinetica
L'energia cinetica è l'energia che dipende unicamente dallo stato di moto del sistema preso in considerazione e delle
sue relative componenti. Per un corpo puntiforme l'energia cinetica
è uguale alla metà del prodotto della massa del corpo per il quadrato della sua velocità e può assumere solo
valori positivi.
Energia potenziale
L'energia potenziale è un tipo di energia che dipende unicamente dalla configurazione o dalla posizione dei corpi
e delle particelle in interazione. A seconda del tipo di interazione e di forza considerata esistono numerosi tipi di
energia potenziale.
Il classico esempio di energia potenziale è quella del campo gravitazione terrestre, che per un corpo di massa m
è uguale a:
dove
è l’accelerazione di gravità. Questo tipo di energia dipende solo dalla posizione di un corpo e
quando questo viene lasciato cadere l'energia potenziale cambia durante il tempo la propria forma diventando
cinetica.
L'energia meccanica
E’ la somma di energia cinetica ed energia potenziale attinenti allo stesso sistema; In un sistema isolato in cui
sono presenti soltanto forze conservative (come ad esempio quella peso) l’energia meccanica totale (cinetica +
potenziale) si conserva.
Energia
potenziale
Energia
potenziale
Energia cinetica
Energia interna
L’analogo microscopico dell’energia meccanica è l’energia interna. L’energia di un sistema viene chiamata interna in
quanto determinata dalla somma delle energie di tutte le particelle che costituiscono il sistema.
Ogni particella ha un’energia che si distribuisce tra quella cinetica, legata al suo movimento e quindi alla sua velocità,
e quella potenziale, determinata dalla sua posizione rispetto alle altre particelle. La velocità può essere traslazionale,
se la particella in questione si sposta lungo una sola direzione; rotazionale se cambia continuamente la sua direzione
e vibrazionale se oscilla attorno ad una posizione di equilibrio.
La posizione reciproca dipende in generale dal tipo di legame che si stabilisce tra le diverse particelle.
Per esempio, a temperatura ambiente un bicchiere di acqua fermo su un tavolo non ha apparentemente né energia
cinetica né energia potenziale. Ma, da un punto di vista microscopico, il suo contenuto è costituito da miliardi di
molecole di acqua che si muovono ad una velocità media di centinaia di metri al secondo. Le particelle d’acqua sono
inoltre legate una all’altra, non per niente si raccolgono sul fondo del bicchiere, per cui l’acqua possiede anche un
contributo all’energia interna di tipo potenziale.
A dispetto delle apparenze, il nostro bicchiere di acqua possiede un’energia interna diversa da zero.
Nella prima figura che segue sono rappresentati i diversi modi con cui può muoversi la molecola di anidride
carbonica CO2: vibrazioni con deformazione dell’angolo di legame (bending) e vibrazioni di stiramento simmetriche e
asimmetriche lungo la direzione di legame; rotazioni attorno ad un asse e, infine, semplici traslazioni.
Nella figura che segue si può invece osservare come, al diminuire della distanza tra i due atomi di idrogeno H,
spostandoci da destra a sinistra verso l’origine degli assi, l’energia potenziale dovuta all’instaurarsi di un legame
chimico tra i due atomi, diminuisce fino ad un minimo. La minima energia potenziale corrisponde alla distanza
ottimale tra i due atomi, cioè alla distanza di legame che rende la molecola stabile. Forzare distanze inferiori
comporta un brusco aumento di energia e, quindi, la rottura della molecola appena formata.
Lavoro e calore
Il lavoro è l'energia scambiata tra due sistemi attraverso l'azione di una forza quando l'oggetto subisce uno
spostamento. E’ calcolabile con la nota formula:
Il calore è un’energia che si manifesta in svariate circostanze: durante i processi di riscaldamento e raffreddamento
(calore sensibile), nei passaggi di fase (calore latente); a seguito di una reazione chimica o nucleare (calore di
reazione).
Il calore e il lavoro non possono essere definiti come "forme di energia", sebbene abbiano le sue stesse unità di
misura, perché non sono posseduti da un sistema (come avviene invece per le altre forme di energia), ma sono
invece "energia in transito": sono la manifestazione sperimentale dello scambio di energia che avviene attraverso
due sistemi. Il calore e il lavoro possono tuttavia essere misurati e utilizzati nella pratica per prevedere la differenza
di energia posseduta da un corpo fra la fine e l'inizio del processo o della trasformazione.
Ed è proprio quanto stabilisce il primo principio della termodinamica, secondo il quale la variazione di energia di
un sistema
:
è uguale alla somma del calore
e del lavoro
rispettivamente assorbito o ceduto e subito o compiuto.
In figura è rappresentato un motore a vapore: un’apparecchiatura che produce energia meccanica (lavoro)
utilizzando, in vari modi, vapore d'acqua. Il vapore è ovviamente il risultato di un processo di riscaldamento e di
un passaggio di fase, per assorbimento di calore. Il calore è in genere prodotto con il carbone, ma può anche
provenire da legna, idrocarburi o reazioni nucleari; il lavoro è ovviamente quello che si manifesta con il
movimento della macchina in questione.
Guardando più attentamente la formula appena introdotta, si evince che il sistema può aumentare la sua energia
interna assorbendo calore (+Q) o se subisce un lavoro (+L); viceversa il sistema può diminuire la sua energia interna
cedendo calore(-Q) o facendo un lavoro a sue spese (-L).
+L
+Q
SISTEMA
-Q
-L
Il calore è un’energia disordinata, in cui le particelle del sistema si muovono caoticamente con il rischio di dissipare
tutta l’energia termica posseduta in una successione di urti; il lavoro si distingue per l’ordine con cui le particelle che
costituiscono il sistema si spostano coerentemente tra loro nello spazio (pensiamo al lancio di una palla verso una
meta precisa).
Il calore sensibile
Il trasferimento del calore tra sistemi per effetto di una differenza di temperatura può avvenire in tre modi:
a) per conduzione: in uno stesso corpo o fra corpi a contatto si ha una trasmissione di calore per propagazione di
energia dalla zona calda a quella fredda del materiale. Nella conduzione viene trasferita energia attraverso la
materia, ma senza movimento macroscopico di quest'ultima;
b) per convezione: in un fluido in movimento, porzioni del fluido possono scaldarsi o raffreddarsi per conduzione
venendo a contatto con superfici esterne e poi, nel corso del loro moto (spesso a carattere turbolento), trasferire
(sempre per conduzione) l'energia acquistata ad altre superfici, dando così luogo ad un trasferimento di calore.
Quotidianamente tale modalità di trasferimento di calore è dovuta al naturale prodursi di correnti calde verso l'alto e
fredde verso il basso, dovute a diversità di temperatura e quindi di densità delle regioni di fluido coinvolte nel
fenomeno, rispetto a quelle del fluido circostante;
c) per irraggiamento: tra due sistemi la trasmissione di calore può avvenire a distanza (anche nel vuoto), per
emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche: anche in questo caso il corpo a temperatura
inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda. Il meccanismo dell'irraggiamento non richiede il
contatto fisico tra i corpi coinvolti nel processo.
Energia cinetica ed energia termica
Durante il riscaldamento aumentando la temperatura aumenta l’energia termica posseduta dal sistema. L'energia
termica è la forma di energia posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto e
risulta ad essa proporzionale.
A livello microscopico l’energia termica corrisponde alla somma delle energie cinetiche di tutte le particelle che
costituiscono il sistema, per cui all’aumentare della temperatura aumenta anche la velocità media con cui le
particelle si muovono.
L’energia termica è’ considerata una forma di energia degradata in quanto non tutta l'energia termica può essere
convertita in energia meccanica; al contrario ogni altra forma di energia ha la possibilità di convertirsi più o meno
spontaneamente nel tempo in energia termica. Pensiamo sempre ad un pallone che una volta lanciato rimbalza sul
terreno fino a fermarsi, dissipando in tal modo tutta la sua energia meccanica.
Il calore sensibile nei processi di riscaldamento e di raffreddamento
Se a seguito del riscaldamento di un sistema per somministrazione di calore si osserva un innalzamento di
temperatura, per cui si ha che
a livello microscopico ci sarà un corrispondente aumento
della velocità media delle particelle che costituiscono il sistema.
Se, viceversa, il sistema subisce un raffreddamento per cessione di calore la variazione di temperatura sarà negativa
<0. Le particelle del sistema subiranno un rallentamento e quindi la diminuzione della loro velocità media.
In entrambi i casi il calore in gioco è detto sensibile e calcolabile con la formula:
.
Il calore sensibile in gioco nei processi di riscaldamento e raffreddamento costituisce il contributo di energia termica
all’energia interna.
Riscaldamento
(T aumenta)
Assorbimento di
CALORE
SENSIBILE
Raffreddamento
(T diminuisce)
Cessione di
CALORE
SENSIBILE
Q=c·m·ΔT
Il calore sensibile nel mescolamento
Nell’ipotesi di un mescolamento di due gas o liquidi a diversa temperatura, a seguito di urti successivi tra le particelle
(nell’immagine monoatomiche) si ha il trasferimento dell’energia cinetica dalle particelle più calde (più veloci) a
quelle fredde (più lente) fino a raggiungimento dell’equilibrio termico, caratterizzato dalla stessa temperatura e,
quindi, dalla stessa velocità media per tutte le particelle.
E’ evidente che durante gli urti tra particelle calde e particelle fredde, le prime cedono alle seconde parte della loro
energia cinetica sotto forma di calore. Se il mescolamento avviene in un sistema isolato (che non dissipa l’energia al
suo esterno), il calore ceduto eguaglia il calore assorbito, per il principio di conservazione dell’energia.
Il calore latente
Mentre il calore sensibile comporta un aumento o una diminuzione della temperatura del sistema che viene
riscaldato o che subisce raffreddamento, il calore latente viene assorbito o ceduto a temperatura costante.
Il calore latente determina a livello macroscopico il cambiamento dello stato di aggregazione, ossia si osserva che,
mentre la temperatura del sistema rimane costante, il sistema subisce un riassetto in termini di forma e volume.
I solidi presentano infatti forma e volumi propri, i liquidi la forma del recipiente e un proprio volume mentre i gas
assumono forma e volume del recipiente che li contiene.
Se il passaggio di stato in esame è una fusione o una sublimazione si passa da un sistema più ordinato, con particelle
vincolate in posizioni definite e legate tra loro, a un sistema molto più disordinato e meno stabile.
Nei tre passaggi inversi (brinamento, condensazione, solidificazione) si osserva un corrispondente passaggio agli stati
solido, liquido e ancora solido, con aumento di ordine e intensificazione dei legami tra le particelle.
Se
FUSIONE,
EBOLLIZIONE,
SUBLIMAZIONE
Assorbimento di
CALORE
LATENTE
Se
SOLIDIFICAZIONE,
CONDENSAZIONE,
BRINAMENTO
Cessione di
CALORE
LATENTE
A
TEMPERATURA
COSTANTE
Lo stato di aggregazione
Nello stato solido le particelle sono vincolate in posizioni ben definite ed è quindi lo stato in cui le forze sono molto
intense e risulta alto il contributo dell’energia potenziale all’energia interna mentre è quasi nullo il contributo di
energia cinetica.
Lo stato gassoso è costituito invece da particelle per lo più svincolate l’una dall’altra, vale a dire non legate tra loro, e
libere di muoversi all’interno dello spazio a disposizione: per esse è praticamente nullo il contributo all’energia
interna dell’energia potenziale e massimo quello dell’energia cinetica.
Lo stato liquido vede una compensazione tra l’energia potenziale che domina lo stato solido e rende stabile il
sistema e l’energia cinetica che caratterizza lo stato gassoso, conferendo disordine e libertà di movimento alle sue
particelle.
Il calore di reazione
Le reazioni chimiche sono quasi sempre accompagnate da svolgimento o assorbimento di calore, che chiameremo
questa volta calore di reazione. In particolare le reazioni che liberano calore vengono chiamate reazioni
esotermiche; quelle che invece assorbono calore vengono dette endotermiche.
Tipica reazione esotermica è quella di combustione del metano che utilizziamo come combustibile domestico; un
esempio di reazione endotermica è invece quello del cosiddetto ghiaccio istantaneo, frequentemente utilizzato in
palestra.
avvengono con
esotermici
I
sviluppo di
calore
-Q
processi
avvengono con
endotermici
assorbimento
di calore
+Q
Durante una reazione chimica I vecchi legami nelle particelle reagenti si rompono e si formano legami nuovi tra gli
stessi atomi di partenza che si riorganizzano in modo diverso nelle sostanze prodotte.
Nella reazione di combustione del metano accade che:
nella molecola di metano CH4 si rompono i quattro legami con gli atomi di idrogeno H così come si rompono i legami
covalenti nelle molecole di ossigeno O2; gli atomi si ricombinano nelle molecole di anidride carbonica e acqua dove il
carbonio lega due atomi di ossigeno, mentre i restanti due atomi di ossigeno legano ciascuno due atomi di idrogeno.
E’ evidente che cambia l’energia potenziale chimica delle sostanze coinvolte nella reazione: nella figura che segue
viene riportato il profilo energetico della reazione nella trasformazione dei reagenti in prodotti:
L’energia potenziale chimica dei prodotti è minore di quella dei reagenti: l’energia che manca si è allontanata sotto
forma di calore.
Accade esattamente l’inverso in una reazione endotermica, come quella del ghiaccio istantaneo, dove il nitrato di
ammonio solido, assorbendo calore, passa in soluzione acquosa. Nella busta di ghiaccio istantaneo sono infatti
contenuti pochi grammi di nitrato di ammonio separati da acqua attraverso una membrana. Schiacciando la busta in
un punto particolare le due sostanze entrano in contatto, si verifica un assorbimento di calore dall’ambiente esterno
e si ottiene il ghiaccio istantaneo.
Le sostanze e l’energia potenziale chimica
Si hanno allora variazioni di energia potenziale chimica se avviene una reazione chimica con trasformazione delle
sostanze reagenti in sostanze prodotte e rottura e formazione di legami, ma si ha anche variazione di energia
potenziale chimica quando una sostanza cambia il suo stato di aggregazione, dal momento che cambiano le
posizioni reciproche tra le particelle. Le sostanze chimiche e il loro particolare stato di aggregazione contengono
allora una ben definita energia chimica.
ENERGIA
potenziale
chimica
Posizione
reciproca delle
particelle
SOSTANZE
CHIMICHE
STATO DI
AGGREGAZIONE
Concludendo le variazioni di energia interna di un sistema sono determinate da variazioni di energia termica
(riscaldamento e raffreddamento) o da variazioni di energia chimica (passaggi di stato e reazioni chimiche).
ENERGIA
INTERNA
ENERGIA
TERMICA
ENERGIA
CHIMICA
Le sostanze
Ogni sostanza presente nel sistema è caratterizzata da particolari legami tra le particelle che la costituiscono, diversi
da quelli di qualsiasi altra sostanza, seppure nello stesso stato di aggregazione. Ad esempio nell’acqua liquida i
legami tra le molecole sono particolarmente intensi rispetto a quelli dell’esano o del cloroformio e, proprio per
questo, l’acqua bolle solo a 100°C mentre l’esano e il cloroformio sono più volatili e presentano temperature di
ebollizione più basse: l’esano a 68°C e il cloroformio a 61°C.
Legami intermolecolari tra molecole di acqua allo stato solido e molecole di esano allo stato liquido
Anche il pentano e il neopentano presentano diversa temperatura di ebollizione. Le due sostanze sono isomeri di
struttura: presentano cioè molecole con la stessa formula grezza
ma diversa formula di struttura, cioè diversa
disposizione nello spazio degli atomi che li costituiscono. Dalla figura che segue si evince che le due molecole, pur
contenendo gli stessi elementi carbonio C e idrogeno H, e negli stessi rapporti numerici, 5 atomi di carbonio e 12
atomi di idrogeno, presentano temperature di ebollizione diverse per il particolare modo in cui questi atomi si legano
tra loro. Le molecole di normal-pentano sono allungate e, quando si avvicinano l’una all’altra, trovano molti punti di
contatto attraverso i quali legarsi; quelle di neopentano invece hanno forma più sferica e faticano a legarsi tra loro.
Le due sostanze appena esaminate sono diverse sia nei legami esterni, che le legano l’una all’altra, ma ovviamente
anche nei legami interni, che legano gli atomi tra di loro. lo stesso accade ad altri due isomeri di struttura che
seguono: l’alcol etilico e l’etere di metilico. Qui si legano due atomi di carbonio C, un atomo di ossigeno O e sei atomi
di idrogeno H, ma in modo diverso, per cui le sostanze che si ottengono hanno caratteristiche fisiche e chimiche
molto diverse.
Alcol etilico
Etere dimetilico
Si tratta dell’alcol etilico CH3CH2OH, le cui molecole vedono due atomi di carbonio legati tra loro mentre, e dell’etere
di metilico CH3OCH3, in cui l’ossigeno fa da ponte tra i due gruppi metilici. Ricordiamo che l’alcol etilico è il
componente delle bevande alcoliche mentre l’etere di metilico è un gas incolore con proprietà simili al GPL (gas
propano liquido) e interessante perché possibile combustibile alternativo.
Confronto tra energia cinetica e potenziale di sostanze diverse
Se confrontiamo l’energia interna di un gas monoatomico come potrebbe essere l’elio He(g), un gas biatomico come
ad esempio l’ossigeno O2(g) e un liquido come l’acqua H2O(l), alla stessa temperatura, la distribuzione dei contributi
di energia cinetica e potenziale sarebbe all’incirca quella rappresentato.
ELIO He(g)
Mentre i due gas, le cui particelle sono libere di muoversi nello spazio a disposizione, presentano esclusivamente
energia cinetica, le molecole dell’acqua liquida (o di un liquido o solido in generale) presentano un rilevante
contributo di energia potenziale dovuto alla forze tra le molecole (particelle in generale), non più libere di muoversi
ma vincolate l’una all’altra fino a determinare una forma propria (nei solidi) o impropria (nei liquidi).
Va notato che un gas molecolare (come l’anidride carbonica o l’ossigeno) possiede un contributo di energia
vibrazionale e rotazionale aggiuntivo a quello traslazionale dei gas monoatomici.
Se poi vogliamo confrontare i contributi cinetico e potenziale all’energia interna di due solidi, il ghiaccio e il rame nel
grafico riportato di seguito, osserviamo come il contributo di energia potenziale nel ghiaccio sia di gran lunga
maggiore di quello del rame. E’ evidente che il riscaldamento di 1°C determina per entrambe le sostanze lo stesso
aumento di energia cinetica.
SISTEMI CON LA STESSA TEMPERATURA
Energia interna: cinetica KE e
potenziale PE
Calore specifico acqua: 4,186 J/(g×°C)
Calore specifico rame: 0,386 J/(g×°C)
La giustificazione viene data rapportando i due diversi calori specifici, necessari al riscaldamento di un grado
dell’unità di massa delle due sostanze. Se per scaldare un grammo di rame di un grado sono sufficienti 0,386 calorie,
per l’acqua sono necessarie 4,186 calorie (circa 11 volte di più). Mentre il calore assorbito dal rame (e da un qualsiasi
metallo) va quasi esclusivamente ad aumentare l’energia cinetica degli elettroni che avvolgono gli ioni rameici
disposti nel reticolo cristallino metallico, il calore assorbito dall’acqua viene accumulato nei legami a idrogeno che
legano tra di loro le molecole.