Diapositiva 1 - Zanichelli online per la scuola

1
Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino
Le scienze naturali
Le trasformazioni nella materia
e il corpo umano
2
Capitolo 1
La chimica
in azione
3
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
Lezione 1
La velocità
di reazione
4
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
1. Dallo studio della composizione
allo studio delle trasformazioni
Le reazioni si differenziano per:
•velocità;
•energia liberata o assorbita;
•grado di completamento;
•spontaneità.
5
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
6
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
7
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
8
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
9
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
Lezione 2
Il calore
di reazione
10
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
11
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
12
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
13
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
14
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
15
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
Lezione 3
Le reazioni
reversibili
e l’equilibrio
16
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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).
17
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
18
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
19
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
Lezione 4
Le leggi
dell’equilibrio
20
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
21
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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]
22
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
23
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
14. Il principio di Le Châtelier /2
24
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
Lezione 5
La spontaneità
delle reazioni
25
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
26
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
27
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
28
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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.
29
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016
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
30
Phelan, Pignocchino Le scienze naturali © Zanichelli editore 2016