q - Agraria UniPD
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Laurea in Tecnologie Forestali e Ambientali Chimica Generale e Inorganica Termodinamica: La prima legge Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DEFINIZIONI: Sistema È la parte di universo che si sceglie di studiare. Intorno È la parte di universo esterna al sistema oggetto di studio. SISTEMA APERTO: Può scambiare facilmente materia ed energia (lavoro e calore) con l’intorno. SISTEMA CHIUSO: Può scambiare facilmente energia con l’intorno ma non materia. SISTEMA ISOLATO: Non interagisce con l’intorno. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DEFINIZIONI E TERMINOLOGIA ENERGIA: L’energia rappresenta compiere lavoro. la capacità di LAVORO: Si ha lavoro quando una forza agisce su una distanza. Il lavoro implica MOTO ORGANIZZATO CALORE: È l’energia trasferita tra un sistema ed il suo intorno in conseguenza di una differenza di temperatura. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENERGIA ENERGIA CINETICA: E’ l’energia legata al movimento. 2 1 kg m = J Ek = [Ek ] = mv2 2 s2 ENERGIA POTENZIALE: E’ l’energia legata alla condizione, posizione, composizione; è associata a forze [Ek ] = J attrattive e repulsive. L’energia può passare da cinetica a potenziale e viceversa Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova CALORE: CALORE L’energia sotto forma di calore passa da un corpo più caldo ad uno più freddo. A livello molecolare le molecole del corpo più caldo, a causa delle collisioni, cedono energia cinetica a quelle del corpo più freddo ENERGIA TERMICA: E’ l’energia cinetica associata al moto molecolare casuale Il trasferimento di calore può provocare: 1. variazioni di temperatura del sistema 2. variazioni di stato della materia (se il calore ceduto alle particelle è tale che l’energia cinetica acquisita è tale da superare le forze attrattive). Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova PROCESSO ISOTERMO: Un processo che avviene a temperatura costante si dice ISOTERMO le variazioni di stato della materia sono processi isotermi. La quantità di calore, q, richiesta per variare la temperatura di un sistema di un grado è detta CAPACITA’ TERMICA del sistema Per una mole di sostanza: CAPACITA’ TERMICA MOLARE Per un grammo di sostanza: CAPACITA’ TERMICA SPECIFICA o CALORE SPECIFICO Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova La quantità di calore, q, richiesta per variare la temperatura dipende da: ● quanto debba essere variata la temperatura ● la quantità di sostanza ● la natura della sostanza. QUANTITA’ DI CALORE = massa di sostanza x calore specifico x variazione di temperatura Detto: massa di sostanza x calore specifico = Capacità termica, C q = m x calore specifico x ΔT = C x ΔT Con ΔT = Tf – Ti LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA: Nelle interazioni di un sistema con il suo intorno l’energia totale resta costante: L’ENERGIA NON SI CREA E NON SI DISTRUGGE qsistema + qintorno = 0 qsistema = -qintorno Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova CALORE: UNITA’ DI MISURA • Caloria (cal) – Quantità di calore richiesta per cambiare la temperatura di un grammo di acqua di un grado Celsius tra 14.5°C e 15.5°C. • Joule (J) – Unità SI per il calore 1 cal = 4.184 J Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova CALORE: Esempio Quanto calore occorre per aumentare la temperatura di 7.35g di acqua da 21.0 a 98.0°C? (il calore specifico dell’acqua sia 4.18 J/g°C) q = m x calore specifico x ∆T = C x ∆T q = 7.35 g x 4.18 Jg-1°C-1 x 77.0°C = 2.36 x 103J Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENERGIA CHIMICA: E’ l’energia associata ai legami chimici ed alle attrazioni intermolecolari. CALORE DI REAZIONE, qreazione, = È la quantità di calore scambiato tra un sistema ed il suo intorno quando avviene una reazione chimica all’interno del sistema, a temperatura costante. Se il sistema è isolato tale calore produce una variazione di temperatura. REAZIONE ESOTERMICA = Produce un aumento di temperatura in un sistema isolato (qreazione < 0) REAZIONE ENDOTERMICA = Produce una diminuzione di temperatura in un sistema isolato (qreazione > 0) CALORIMETRO = Strumento per la misura del calore Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova BOMBA CALORIMETRICA: E’ il metodo ideale per misurare il calore sviluppato in una reazione di combustione. qreazione = - qcalorimetro qcalorimetro = qbomba + qacqua + … qcalorimetro = Capacità termica del calorimetro x ΔT ΔT = Tf - Ti Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova LAVORO Oltre ad energia termica una reazione chimica può coinvolgere anche lavoro: La reazione di decomposizione del clorato potassico a cloruro potassico ed ossigeno Il lavoro legato a compressione ed espansione è detto LAVORO PRESSIONE-VOLUME Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova LAVORO Come “descrivere” questo lavoro? Lavoro (w) = Forza (F) x Distanza (h) Ma P = F/A Dunque Lavoro (w) = Pressione (P) x Area (A) x Distanza (h) Ma A x h = ΔV (variazione di volume) Quindi w = - P x ΔV [w ] = kg m m = J s2 Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova LA CONVENZIONE DEI SEGNI Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova Il Lavoro: Esempio Un gas costituito da 0.100 moli di He si espande a temperatura costante (298 K) quando la pressione applicata passa da 2.4 a 1.3 atm. Qual è il lavoro compiuto? Viniziale = Vfinale = 0.100 mol x 0.08206 L atm mol-1K-1 x 298 K 2.40 atm 0.100 mol x 0.08206 L atm mol-1K-1 x 298 K = 1.02 L = 1.88 L 1.30 atm w = - P x ΔV = - 1.30 atm x (1.88-1.02) L x (101 J L-1 atm-1) = -1.1 x 102 J Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova L’ENERGIA INTERNA DI UN SISTEMA Un sistema contiene SOLO energia interna, non contiene energia sotto forma di calore o lavoro; calore e lavoro sono i mezzi con i quali il sistema scambia energia con il suo intorno ed esistono solo durante un cambiamento del sistema. •Energia cinetica traslazionale. •Rotazioni molecolari. •Vibrazioni di legame. •Attrazioni intermolecolari. •Legami chimici. •Elettroni negli atomi. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova LA PRIMA LEGGE DELLA TERMODINAMICA ΔU = q + w δu = δq+ δw Se consideriamo un sistema isolato che non è in grado di scambiare calore né lavoro con l’intorno: ΔU = 0 L’ENERGIA TOTALE DI UN SISTEMA E’ COSTANTE Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova FUNZIONI DI STATO E FUNZIONI DIPENDENTI DAL CAMMINO Lo STATO di un sistema è descritto da: temperatura, pressione, tipi e quantità di sostanze presenti FUNZIONE DI STATO: proprietà che ha un unico valore per un dato stato del sistema. • U è la somma di più contributi. - Non è facile misurarlo o determinare tutti i contributi • ΔU ha valore unico tra due stati. - E’ facilmente misurabile. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova FUNZIONI DI STATO E FUNZIONI DIPENDENTI DAL CAMMINO U2 ΔU1 U1 qA≠ qB wA≠ wB qA+ wA = qB + wB = ΔU U – funzione di stato q, w – funzioni che dipendono dal percorso Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova Il Lavoro non è una Funzione di Stato: Esempio Un gas costituito da 0.100 moli di He si espande da 1.02 a 1.36 L a temperatura costante (298 K) quando la pressione applicata passa da 2.4 a 1.8 atm e da 1.36 a 1.30 quando la pressione passa da 1.8 a 1.3 atm. Qual è il lavoro compiuto? w = - P x ΔV = - 1.80 atm x (1.36-1.02) L - 1.30 atm x (1.881.36) L = - 0.61 – 0.68 L-1 atm-1 w = - P x ΔV = -1.29 L atm x (101 J L-1 atm-1) = -1.3 x 102 J w = - P x ΔV = - 1.30 atm x (1.88-1.02) L x (101 J L-1 atm-1) = -1.1 x 102 J Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova CALORI DI REAZIONE: ΔU E ΔH Calore di reazione a volume costante Reagenti (stato iniziale) Ui Prodotti (stato finale) Uf ΔU = Uf – Ui = qreazione + w Se la reazione avviene a volume costante (in una bomba calorimetrica): w = -P ∆V = 0 perché il volume è costante ΔU = qreazione + w = qreazione = qv Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova CALORI DI REAZIONE: ΔU E ΔH Calore di reazione a pressione costante Reagenti (stato iniziale) Ui Prodotti (stato finale) Uf ΔU = qv = w + qp = - P∆V + qp qp = ΔU + P∆V DEFINIAMO: ΔU + P∆V = ΔH ENTALPIA, H, = somma dell’energia interna e del lavoro pressione-volume A PRESSIONE E TEMPERATURA COSTANTI: ∆H = qp anche è funzione ΔH di stato Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova IL GAS IDEALE: ΔU E ΔH Nel caso di un GAS IDEALE a temperatura costante, T: ΔH = ΔU + Δ (PV) = ΔU + Δ (nRT) = ΔU + (Δn)RT N2 + O2 ' 2NO Δn = 0; ΔH = ΔU 2CO + O2 ' 2CO2 Δn = -1; ΔH = ΔU - RT Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DIAGRAMMI ENTALPICI Un DIAGRAMMA ENTALPICO è una rappresentazione grafica delle variazioni di entalpia in un processo. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DIAGRAMMI ENTALPICI: esempi di reazioni endotermiche ed esotermiche C12H22O11 (s) + 12O2 ' 12CO2(g)+ 11H2O(l) ∆H = -5.65 x 103 kJ La combustione del saccarosio è esotermica L’entalpia dei prodotti è minore di quella dei reagenti; il CALO di entalpia è calore CEDUTO all’intorno N2(g) + O2(g) ' 2NO(g) ∆H = + 180.50 kJ L’ossidazione dell’azoto è endotermica L’entalpia dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti; il sistema deve ASSORBIRE calore dall’intorno Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DETERMINAZIONE INDIRETTA DI ΔH: La legge di Hess • ΔH è una proprietà estensiva La variazione di entalpia è direttamente proporzionale alla quantità delle sostanze presenti N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) ΔH = +180.50 kJ ½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) ΔH = +90.25 kJ • ΔH cambia segno quando un processo viene invertito NO(g) → ½N2(g) + ½O2(g) ΔH = -90.25 kJ Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova DETERMINAZIONE INDIRETTA DI ΔH: La legge di Hess • Legge di Hess della Costanza della somma dei calori Se un processo avviene per stadi (anche solo ipotetici), la variazione di entalpia per l’intero processo è la somma delle variazioni di entalpia dei singoli stadi. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova La legge di Hess: esempio ½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) ΔH = +90.25 kJ NO(g) + ½O2(g) → NO2(g) ΔH = -57.07 kJ ½N2(g) + O2(g) → NO2(g) ΔH = +33.18 kJ Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova La legge di Hess: esempio Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENTALPIE STANDARD DI FORMAZIONE: ΔH°f L’entalpia standard (°) di formazione (f) di una sostanza è la variazione di entalpia che si ha nella formazione di una sua mole nello stato standard dalle forme di riferimento degli elementi nei loro stati standard. Le forme di riferimento sono quelle più stabili a 1 bar e alla temperatura data L’entalpia standard di formazione di un elemento puro nella sua forma di riferimento è zero. Lo stato standard di una sostanza solida o liquida è l’elemento o composto puro alla pressione di 1 bar e alla temperatura specificata. Per un gas lo stato standard è il gas puro che si comporti come un ipotetico gas ideale alla pressione di 1 bar e alla temperatura di interesse Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENTALPIE STANDARD DI FORMAZIONE: esempi C (grafite) C (diamante) ΔH°f = 0 ΔH°f = 1.9 kJ/mol P (bianco) ΔH°f = 0 P (rosso) ΔH° = 1.9 kJ ΔH° = -17.6 kJ ΔH°f = -17.6 kJ/mol Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova Alcune Entalpie Standard di Formazione Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENTALPIE STANDARD DI REAZIONE: ΔH°rea ● L’entalpia standard di reazione coincide con la differenza di entalpia tra prodotti puri e reagenti puri (ad 1 bar per i gas) ● L’entalpia standard di reazione si riferisce a reazioni nelle quali reagenti e prodotto si trovano nei rispettivi stati standard; solitamente sono riferite alla temperatura di 298.15 K. Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENTALPIE STANDARD DI REAZIONE: ΔH°rea ΔHrea = ΣΔHf°prodotti - ΣΔHf°reagenti Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ENTALPIE STANDARD DI REAZIONE: ΔH°rea ΔHrea = ΣΔHf°prodotti - ΣΔHf°reagenti Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova VARIAZIONI DI STATO Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova VARIAZIONI DI STATO: evaporazione dei liquidi (vaporizzazione) ΔHevaporazione = ΔHvapore – ΔHliquido = - ΔHcondensazione • TENSIONE DI VAPORE = pressione esercitata da un vapore in equilibrio dinamico con il suo liquido. liquido Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova TENSIONE DI VAPORE E TEMPERATURA • LA TENSIONE DI VAPORE AUMENTA CON LA TEMPERATURA. TEMPERATURA Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova TENSIONE DI VAPORE E TEMPERATURA: L’equazione di Clausius-Clapeyron ln ΔHvap p2 =( p1 R 1 1 ) T2 T1 Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova FUSIONE,CONGELAMENTO E SUBLIMAZIONE • ENTALPIA DI FUSIONE = Quantità di calore richiesta per fondere un solido, ∆Hfus. Curva di raffreddamento Curva di riscaldamento • ENTALPIA DI SUBLIMAZIONE = Quantità di calore richiesta per la sublimazione di un solido, ∆Hsub. • ∆Hsub = ∆Hfus + ∆Hvap Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova ESEMPIO: Mediante una bomba calorimetrica determinare il calore di reazione. La combustione di 1.010 g di saccarosio causa, in una bomba calorimetrica, l’incremento di temperatura da 24.92 a 28.33°C. La capacità termica del calorimetro è 4.90 kJ/°C. (a) Qual è il calore di combustione del saccarosio in kJ/mol C12H22O11? (b) Verificare la veridicità dell’asserzione dei produttori secondo cui un cucchiaio da te di zucchero (4.8 g circa) contiene solo 19 calorie. qcalorimetero: qcal = CVΔT = (4.90 kJ/°C)(28.33-24.92)°C = (4.90)(3.41) kJ = 16.7 kJ qreazione: qrxn = ΔUrxn = -qcal = -16.7 kJ qreazione nelle unità volute: qrxn = -qcal = qrxn = -16.5 kJ/g qreazione per un cucchiaio: 4.8 g -16.7 kJ 1.010 g 343.3 g 1.00 mol = -16.5 kJ/g = -5.65 x 103 kJ/mol 1.00 cal ) = -19 kcal/cucch qrxn = (-16.5 kJ/g)( )( 1 cucch. 4.184 J Prof. Dr. Antonella AntonellaGlisenti Glisenti--Dip. Dip.Scienze ScienzeChimiche Chimiche--Università Universitàdegli degliStudi StudididiPadova Padova
