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CAPITOLO
L’energia delle reazioni chimiche
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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
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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.
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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.
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1 Reazioni chimiche
ed energia
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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.
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in
un
Le reazioni che avvengono con
assorbimento di calore vengono definite
endotermiche.
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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.
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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.
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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.
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3 Energia interna
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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.
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4 Entalpia di reazione
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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.
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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.”
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6 Entalpia standard di
formazione
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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.
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6 Entalpia standard di
formazione
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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
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7 Energia di legame ed
entalpia di reazione
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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:
HH + ClCl  2 HCl
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 HCl (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.
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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).
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Aprendo il rubinetto, i due gas si mescolano
creando notevole disordine molecolare (alta
entropia).
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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.
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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).
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CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
9 Spontaneità di
un processo
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 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
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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
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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
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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
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Interpretazione
dell’energia libera
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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.
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11 Le reazioni accoppiate
(in italiano)
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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.
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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.
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Amminoacidi
Ribosomi osservati al microscopio
elettronico a scansione.
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