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Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino
Le scienze naturali
Le trasformazioni nella materia
e il corpo umano
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Capitolo 1
La chimica
in azione
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Lezione 1
La velocità
di reazione
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1. Dallo studio della composizione
allo studio delle trasformazioni
Le reazioni si differenziano per:
•velocità;
•energia liberata o assorbita;
•grado di completamento;
•spontaneità.
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2. Reazioni lente e veloci
La velocità di una reazione è la velocità di trasformazione dei
reagenti nei prodotti.
vmedia=
-Δ[R]
Δt
=
Δ[P]
Δt
vmedia indica la variazione di concentrazione di un reagente o
di un prodotto nell’intevallo di tempo.
Dipende dalle caratteristiche chimiche dei reagenti, ma può
variare in relazione a numerosi fattori.
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3. Molti fattori influenzano la velocità
di reazione
Oltre alla natura chimica e allo stato fisico dei reagenti, altri
fattori influenzano la velocità di reazione:
•la concentrazione dei reagenti;
•la superficie di contatto tra i componenti;
•la temperatura;
•la presenza di catalizzatori o inibitori.
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4. La teoria delle collisioni e l’energia
di attivazione
Una reazione avviene solo se si verificano urti efficaci, cioè
urti in cui le particelle dei reagenti hanno energia cinetica
uguale all’energia di attivazione e hanno orientamento
favorevole.
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5. Come agiscono i catalizzatori?
I catalizzatori riducono
l’energia di attivazione perché
modificano il meccanismo della
reazione.
In questo modo un maggior
numero di particelle può
reagire anche se non viene
modificata la temperatura.
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Lezione 2
Il calore
di reazione
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6. Gli scambi di energia tra il sistema
di reazione e l’ambiente
Il calore di reazione (Q) è il calore scambiato dal sistema
con l’ambiente nel corso di una reazione chimica.
reazioni esotermiche
reagenti → prodotti + Q
reazioni endotermiche Q + reagenti → prodotti
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7. Il calore di reazione non dipende
dalla velocità di reazione /1
La trasformazione dei reagenti in complesso attivato richiede
energia; il passaggio da complesso attivato a prodotti libera
energia.
In una reazione esotermica,
l’energia di attivazione è
inferiore all’energia liberata
quando il complesso si
trasforma nei prodotti.
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7. Il calore di reazione non dipende
dalla velocità di reazione /2
In una reazione
endotermica, l’energia
liberata quando il complesso
si trasforma nei prodotti è
inferiore all’energia di
attivazione.
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8. Il calorimetro e le calorie
Il calore di reazione si misura sperimentalmente e si esprime in
joule o in calorie.
Una caloria è la quantità
di calore necessaria per
innalzare di 1 °C la
temperatura di un grammo
di acqua liquida.
1 cal = 4,184 J
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9. Il fabbisogno energetico nei viventi
Il tasso metabolico basale, o BMR, indica la quantità di
energia consumata da un organismo a riposo, in un ambiente
a temperatura neutra.
Ogni organismo ha un
fabbisogno energetico
giornaliero, normalmente
espresso in kilocalorie, che
corrisponde al BMR sommato
alle calorie necessarie per le
diverse attività svolte.
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Lezione 3
Le reazioni
reversibili
e l’equilibrio
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10. Molti processi chimici sono
reversibili
Una reazione reversibile è una trasformazione in cui i
reagenti possono trasformarsi in prodotti (reazione diretta)
e i prodotti, a loro volta, possono trasformarsi nei reagenti
(reazione inversa).
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11. L’equilibrio chimico è dinamico /1
Una reazione reversibile, che si svolge in un sistema chiuso a
temperatura costante, è all’equilibrio se le concentrazioni dei
reagenti e dei prodotti nella miscela di reazione non si
modificano più.
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11. L’equilibrio chimico è dinamico /2
All’equilibrio, la velocità (vd) della reazione diretta è uguale alla
velocità (vi) della reazione inversa.
vd = vi
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Lezione 4
Le leggi
dell’equilibrio
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12. La legge dell’azione di massa
A una data temperatura, in una miscela di reazione
all’equilibrio, c’è un rapporto costante (Keq) tra il prodotto delle
concentrazioni dei prodotti, elevate ai rispettivi coefficienti
stechiometrici, e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti,
anch’esse elevate ai rispettivi coefficienti stechiometrici.
[C]c[D]d
= Keq
[A]a[B]b
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13. Gli equilibri eterogenei
Nelle reazione eterogenee, che coinvolgono sostanze in
diversi stati fisici, nell’espressione della costante di equilibrio
compaiono solo le concentrazioni delle sostanze allo stato di
gas o in soluzione.
2Hg(l) + Cl2(g) ⇄ Hg2Cl2(g)
[Hg2Cl2(g)]
La concentrazione
è costante
[Hg]2[Cl2]
1
= K1
= Keq
[Cl2]
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14. Il principio di Le Châtelier /1
L’equilibrio è perturbato quando un fattore esterno (variazione
di concentrazione, pressione o temperatura) rende la velocità
della reazione diretta diversa da quella della reazione inversa.
Secondo il principio dell’equilibrio mobile di Le Châtelier, il
sistema perturbato tende a opporsi all’alterazione,
raggiungendo se possibile un nuovo stato di equilibrio.
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14. Il principio di Le Châtelier /2
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Lezione 5
La spontaneità
delle reazioni
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15. In natura non tutto può accadere
Un processo fisico-chimico è spontaneo quando avviene
senza la necessità di un intervento esterno.
Per provocare un processo non
spontaneo è necessario
compiere un lavoro, cioè fornire
energia al sistema.
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16. Calore, lavoro e reazioni
L’energia interna U di un sistema è la somma di tutte le forme
di energia cinetica e potenziale delle particelle che lo
costituiscono.
L’entalpia H esprime il contenuto termico di un sistema, cioè
la quantità di energia che esso può scambiare, a pressione
costante, con l’ambiente sotto forma di calore.
reazioni esotermiche
reazioni endotermiche
ΔH < 0
ΔH > 0
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17. Le reazioni producono o riducono
il disordine /1
Il termine disordine indica la disposizione casuale di atomi,
ioni o molecole delle sostanze. L’entropia (S) misura il grado
di disordine microscopico di un sistema.
Dipende dallo stato fisico,
dalla natura chimica e dal
numero di moli presenti nel
sistema.
Aumentando la temperatura,
aumenta l’entropia.
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17. Le reazioni producono o riducono
il disordine /2
Le trasformazioni con ΔS
positivo indicano un
aumento del disordine,
quelle con ΔS una riduzione
del disordine.
Soluzioni e gas sono più
disordinati rispetto a liquidi
e solidi.
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18. La spontaneità:
minima energia e massimo disordine
I processi spontanei aumentano l’entropia dell’universo
(insieme di ambiente + sistema) e ne riducono l’entalpia.
L’energia libera del sistema (G):
G = H – TS
ΔG indica il massimo lavoro utile che un sistema può liberare
in una trasformazione a temperatura e pressione costanti.
reazioni spontanee
reazioni non spontanee
ΔG < 0
ΔG > 0
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