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CAPITOLO L’energia delle reazioni chimiche 15 Indice 1. Reazioni chimiche ed energia 2. Misura del calore di reazione 3. Energia interna 4. Entalpia di reazione 5. Legge di Hess 6. Entalpia standard di formazione 7. Energia di legame ed entalpia di reazione 8. L’entropia 9. Spontaneità di un processo Mappa concettuale: L’energia delle reazioni chimiche 10.Interpretazione dell’energia libera 11.Le reazioni accoppiate (in italiano) © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 1 1 Reazioni chimiche ed energia CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. In una reazione chimica si ha sviluppo o assorbimento di energia che, in prevalenza, si manifesta sotto forma di calore. Per studiare il calore di una reazione è opportuno definire il concetto di sistema e di ambiente. Per sistema s’intendono le sostanze che partecipano ad una trasformazione chimica o fisica. Per ambiente s’intende tutto ciò che è esterno al sistema. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2 325 1 Reazioni chimiche ed energia CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Un sistema può essere: Sistema aperto Sistema chiuso Sistema isolato Il calore liberato o assorbito in una reazione chimica prende il nome di calore di reazione. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 3 325 1 Reazioni chimiche ed energia CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. 325-326 Le reazioni che sviluppano calore vengono definite esotermiche. Combustione del metano bruciatore domestico. In seguito alla reazione si ha un notevole abbassamento della temperatura; il fondo del becher diventa così freddo da gelare le gocce d’acqua sulla tavoletta sottostante, per cui si attacca a questa. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas in un Le reazioni che avvengono con assorbimento di calore vengono definite endotermiche. 4 1 Reazioni chimiche ed energia CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Quella parte della chimica che studia e misura il calore di una reazione chimica prende il nome di termochimica. La termochimica è una branca della termodinamica, disciplina che studia le relazioni tra il calore e le altre forme di energia. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 5 327 CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE 2 Misura del calore di reazione PAG. Il calore sviluppato o assorbito in una reazione chimica o in un processo fisico è determinato sperimentalmente con il calorimetro. Esistono due tipi di calorimetro: Il calorimetro a tazza, particolarmente indicato per misurare il calore delle reazioni che si verificano in soluzione acquosa. CALORIMETRO A TAZZA. Il vaso calorimetrico è a doppia parete come un thermos. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 6 327 2 Misura del calore di reazione CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. La bomba calorimetrica, particolarmente indicata per misurare il calore di combustione di un combustibile e il contenuto energetico degli alimenti. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 7 328 3 Energia interna CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Un sistema contiene un’energia interna (simbolo U oppure E) che comprende tutte le possibili forme di energia. Contributi importanti all’energia interna della materia provengono dall’energia cinetica e dall’energia potenziale (energia chimica) delle particelle. La variazione di energia in una reazione chimica è determinata principalmente dall’energia di legame. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 8 329 4 Entalpia di reazione CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Per le reazioni chimiche realizzate in laboratorio si utilizzano recipienti aperti (becher, provette, beute), per cui il sistema si trova sottoposto a pressione costante, quella atmosferica. Nella condizione di pressione costante, il calore di reazione prende il nome di entalpia di reazione e si indica con H. La variazione di entalpia di una reazione (H) è data da: Hreaz = Hprodotti − Hreagenti La variazione di entalpia è la quantità di calore che viene ceduto o assorbito in una reazione chimica condotta a pressione costante. Il H viene riportato a parte, a destra dell’equazione, e si fa precedere dal segno algebrico + se la reazione è endotermica o dal segno − se la reazione è esotermica. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 9 330 5 Legge di Hess CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Per molte reazioni chimiche non è possibile la misura sperimentale, con un calorimetro, del calore di reazione. In tali casi risulta utile la legge di Hess (o legge dell’additività delle entalpie di reazione) che così si esprime: “ se una reazione chimica può essere espressa come somma di due o più reazioni, il suo H è uguale alla somma algebrica dei valori di H delle reazioni parziali.” © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 10 331 6 Entalpia standard di formazione CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Di particolare interesse è il calore di reazione (la variazione di entalpia) che accompagna la formazione di una mole di un composto a partire dai suoi elementi, che sono nel loro stato standard (1 bar di pressione e, usualmente, a 25 °C). Per convenzione, agli elementi che si trovano nello stato standard si assegna entalpia di formazione uguale a zero. L’entalpia di formazione di H2O(ℓ), ad esempio, è H = 285,8 kJ/mol. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 11 332 6 Entalpia standard di formazione CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Quindi, dalla sintesi di una mole di H2O(ℓ), a partire da idrogeno e ossigeno nel loro stato standard si liberano 285,8 kJ di calore. L’entalpia standard di una qualsiasi reazione risulta uguale alla somma delle entalpie di formazione dei prodotti meno la somma delle entalpie di formazione dei reagenti: H°reazione = somma H°f prodotti somma H°f reagenti © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 12 333 7 Energia di legame ed entalpia di reazione CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. L’entalpia di una reazione ha origine dall’energia di legame delle molecole dei reagenti e dei prodotti. Se si prende in esame la reazione: HH + ClCl 2 HCl per l’entalpia di reazione si devono considerare due passaggi: a. scissione dei legami dei reagenti (processo che richiede energia) b. ricombinazione degli atomi allo stato gassoso per ottenere HCl (processo che sviluppa energia) Il H° di reazione è uguale alla somma algebrica del H° di scissione dei legami dei reagenti e di quello di formazione dei prodotti. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 13 334 8 L’entropia CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Nel 1877 Ludwig Boltzmann introdusse il concetto di entropia, simbolo S, come misura del grado di disordine di un sistema. Inoltre constatò che statisticamente maggiore è il disordine, maggiore è l’entropia. Nella situazione iniziale si ha basso disordine molecolare (bassa entropia). © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Aprendo il rubinetto, i due gas si mescolano creando notevole disordine molecolare (alta entropia). 14 336 CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE 8 L’entropia PAG. Due gas si mescolano con un processo spontaneo. La variazione di entropia standard di una reazione (S°) si ottiene dalla relazione: S° = somma S° prodotti somma S°reagenti L’entropia, S°, è una grandezza termodinamica la cui unità di misura è J/K. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 15 335 9 Spontaneità di un processo CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Per prevedere se due sostanze, in contatto tra loro, possono dare spontaneamente una reazione, si devono considerare quali sono le grandezze che influenzano i processi spontanei. Spontaneità ed energia L’energia di una reazione non è il solo fattore che determina la spontaneità di un processo perché esistono reazioni spontanee con H° negativo (reazioni esotermiche), ma anche con H° positivo (reazioni endotermiche). Spontaneità e disordine L’entropia da sola non dà indicazioni sulla spontaneità di una reazione; infatti esistono reazioni spontanee in cui il processo si verifica con S° negativo (diminuzione di entropia), mentre altre non sono spontanee neanche se il processo si verifica con un aumento di entropia (S°positivo). © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 16 337 CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE 9 Spontaneità di un processo PAG. L’energia libera di Gibbs La tendenza di una reazione ad avvenire spontaneamente dipende sia da H° sia da S°. La grandezza termodinamica energia libera di Gibbs, simbolo G, tiene conto di entrambi i fattori: G = H TS A temperatura e pressione costanti, la variazione di energia libera di una reazione è data dalla relazione: G° = H° T S° G° 0 la reazione è spontanea G° 0 la reazione non è spontanea G° 0 la reazione è all’equilibrio © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 17 338 9 Spontaneità di un processo CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Calcolo di ΔG° di una reazione Se si conosce l’energia libera standard di formazione delle sostanze presenti in una reazione, il valore di G° di una reazione si ottiene applicando la seguente relazione: G°reazione = somma G°prodotti somma G°reagenti © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 18 339 Mappa concettuale: L’energia delle reazioni chimiche CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE REAZIONI ENDOTERMICHE Necessitano di calore per avvenire ΔH° VARIAZIONE DI ENTALPIA DI REAZIONE ΔH° Calore scambiato in una reazione chimica o in una trasformazione fisica, a pressione costante POSITIVO VARIAZIONE DI ENTROPIA ΔS° Misura del disordine degli atomi o delle molecole in un processo chimico o fisico © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas REAZIONI ESOTERMICHE Sviluppano calore ΔH° NEGATIVO VARIAZIONE DI ENERGIA LIBERA ΔG° ΔG° = ΔH° − TΔS° Se ΔG° è negativo, il processo procede spontaneamente nel verso in cui stato scritto 19 340 10 Interpretazione dell’energia libera CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. La variazione di energia libera permette di stabilire la spontaneità di una reazione chimica. Dell’energia resa disponibile da una reazione “l’energia libera, G°, rappresenta la porzione di energia che è possibile trasformare in lavoro” L’energia libera rappresenta, pertanto, la massima energia utilizzabile. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 20 342 11 Le reazioni accoppiate (in italiano) CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Nel caso di una reazione che non procede spontaneamente (G° 0), se si fornisce al sistema una quantità di energia superiore all’energia libera di Gibbs la reazione può avvenire. Ciò risulta utile per far procedere quelle reazioni chimiche che non avvengono spontaneamente. Per far avvenire queste reazioni si ricorre ad un processo in cui si accoppia la reazione, presa in esame, con un’altra che procede spontaneamente e con un G° fortemente negativo, per cui il processo globale risulta spontaneo. Questo è il metodo delle reazioni accoppiate. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 21 342 11 Le reazioni accoppiate (in italiano) CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE PAG. Trova applicazioni importanti nei sistemi biologici (in biochimica) perché permette di far avvenire reazioni che da sole non potrebbero verificarsi spontaneamente. Nei mitocondri Nei ribosomi Proteine Glucosio + O2 ADP ADP ATP ATP CO2 + H2O Mitocondrio visto al microscopio elettronico. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Amminoacidi Ribosomi osservati al microscopio elettronico a scansione. 22 343
