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L’energia delle reazioni chimiche
CAPITOLO
15
Indice
1. L’energia delle reazioni chimiche
2. Misura del calore di reazione
3. Energia interna
4. Entalpia
5. Legge di Hess: proprietà dell’entalpia
6. Entalpia standard di formazione di un composto
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
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1 L’energia delle reazioni
chimiche
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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 L’energia delle reazioni
chimiche
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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 L’energia delle reazioni
chimiche
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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 L’energia delle reazioni
chimiche
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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
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
 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
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
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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:
proprietà dell’entalpia
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
6 Entalpia standard di
formazione di un composto
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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CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
6 Entalpia standard di
formazione di un composto
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
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
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
I processi spontanei si verificano con un aumento dell’entropia.
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
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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9 Spontaneità di
un processo
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
 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
 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
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
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
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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
CAPITOLO 15. L’ENERGIA DELLE REAZIONI CHIMICHE
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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