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Energia e reazioni chimiche

Cap 5. 7 - 13, 19 - 21, 27 - 30, 47 - 48, 50, 59 - 62

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Energia & Chimica ENERGIA è la capacità di compiere lavoro o trasferire calore.

Cinetica

Potenziale

CALORE è la forma di energia che fluisce fra due oggetti o sistemi a causa della loro differenza di temperatura.

La TEMPERATURA di un oggetto è una misura del suo contenuto di energia termica e della sua capacità a trasferire calore.

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L’Energia Potenziale è associata alla posizione o allo stato dell’oggetto ed include:

• L’energia gravitazionale

• L’energia potenziale chimica

• L’energia elettrostatica

Energia Potenziale (Ep)

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•  Particelle positive e negative (ioni) si attraggono l’un l’altra.

•  Quando le particelle si attraggono riducono la loro energia potenziale

Energia Potenziale a Livello Atomico

NaCl — composto da ioni Na+ e Cl–

5 Energia Cinetica

Energia cinetica:!energia del moto!

translate

rotate

vibrate

6 Energia Interna (E) E’ la somma dell’energia cinetica e potenziale

associata a tutte le particelle (ioni, atomi, molecole) del sistema

•  EPotenziale è associata:

Alle forze di interazione fra nuclei ed elettroni

Alle interazioni (intra- e intermolecolari) delle particelle

•  ECinetica è associata alla massa e al moto delle particelle

L’Energia Interna di un sistema aumenta con la temperatura

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Termodinamica Le variazioni di energia relative ai processi chimici

L’energia termica è associata con i moti molecolari.

L’energia si trasferisce in forma di calore da un oggetto caldo ad uno freddo finchè si stabilisce l’equilibrio termico.

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Sistema : l’oggetto o la reazione che si vuole studiare. Ambiente: tutto ciò che è esterno al sistema Il sistema può essere: adiabatico (non scambia materia o energia, scambia lavoro)

aperto (scambia energia e materia)

chiuso (scambia energia, non materia)

isolato (non scambia materia o energia)

Definizioni

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10 Direzionalità del Trasferimento del Calore Processo ESOTERMICO

l’energia si trasferisce dal SISTEMA all‘AMBIENTE

T(sistema) diminuisce T(ambiente) aumenta

11 Direzionalità del Trasferimento del Calore Processo ENDOTERMICO

l’energia si trasferisce dall’AMBIENTE al SISTEMA.

T(sistema) aumenta T (ambiente) diminuisce

acqua + ghiaccio

12 Energia & Reazioni Chimiche La termochimica si basa sulla legge di

CONSERVAZIONE DELL’ ENERGIA

qsist = – qamb

13 UNITA’ di MISURA dell’ENERGIA

L’unità di misura del S.I. è il JOULE

1 caloria: calore necessario per innalzare di 1 oC (da 14,5 a 15,5 °C) 1 grammo di H2O

1000 cal = 1 kcal

1 cal = 4,184 joules James Joule 1818-1889

14 Capacita’ Termica Specifica Quando un oggetto è riscaldato o raffreddato, la quantità di energia trasferita dipende dai fattori: -  La quantità di materia -  La variazione di temperatura: Δ T = (Tfinale – Tiniziale ) -  Il tipo di materiale (Capacità termica specifica)

Si definisce capacità termica specifica il calore necessario ad innalzare di 1 grado K la temperatura di 1 grammo di sostanza. L'unità di misura nel SI è J / g·K

calore scambiato (J) Csp = massa (g) x ∆T (K)

l'unità di misura del calore specifico è il J / (kg × K)

15 Capacità Termica Specifica

25,0 g di alluminio vengono raffreddati da 310 a 37 °C, quanta energia (joules) perde l’alluminio?

quantità nota Al: 0,897 (J/g•K) –273 (K) 25 (g) ∆T = Tfinale – Tiniziale

0.897 (J / g x K) = calore scambiato (J) / (25.0 g) x (–273 K) = –6100 J

Il segno negativo indica la “direzione” del calore: dall’ alluminio

(sistema) all’ambiente

Calore scambiato (J) ------------------------------------ massa (g) x ΔT (K)

Capacità termica specifica =

16 Trasferimento di Calore senza cambiamento di stato

q trasferito = (calore spec.)(massa)(∆T)

17 Trasferimento di Calore in un passaggio di stato

Il passaggio di stato coinvolge un trasferimento di energia a T costante

Per fondere 1 grammo di ghiaccio servono 333 J (calore di fusione = 333 J/g)

Calore trasferito = calore di fusione (J/g) x massa (g)

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ebollizione

Curve di raffreddamento/riscaldamento dell’acqua

Nota che T è costante quando il ghiaccio fonde e quando l’acqua bolle

0

Calore assorbito

Calore ceduto

riscaldamento

riscaldamento

riscaldamento

fusione

19 Lavoro pressione-volume Una reazione chimica può produrre lavoro.

•  Lavoro derivato dall’espansione o dalla compressione di un gas che origina una variazione di volume.

ΔV = Vfinale – Viniziale

Lavoro (w) = forza x spostamento

w = P x ΔV Analisi dimensionale: w = (F/L2) x L3 = F x L

20 Primo principio della termodinamica

calore

lavoro

ΔE = q + w La variazione di energia interna (ΔE) di un sistema è data dal bilancio del calore e lavoro scambiato tra sistema ed intorno.

Un sistema contiene solo energia interna. Un sistema non contiene energia sotto forma di calore o lavoro.

21 Reazioni chimiche che avvengono a

volume costante

Dal 1° principio della termodinamica: ΔE = q + w ΔE = q + PΔV

•  Nel caso di una reazione in cui il volume non varia,

  ΔV = 0 per cui PΔV = 0

  (non può esserci alcun lavoro fatto dal o sul sistema) quindi ΔE = qV

•  Quando forniamo energia ad un sistema senza che vari il suo volume, tale energia incrementa l’energia interna.

22 Reazioni chimiche che avvengono a pressione costante

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24 Reazioni chimiche che avvengono a pressione costante

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Se Hfinale < Hiniziale allora ∆H è negativa!Il processo è ESOTERMICO!

-il sistema ha rilasciato energia-"

Se Hfinale > Hiniziale allora ∆H è positiva!Il processo è ENDOTERMICO!

-il sistema ha assorbito energia-

ENTALPIA e reazioni chimiche ∆Hsist = Hfinale – Hiniziale

Nella sintesi di una mole d‘acqua si libera energia:!H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(g) + 241.8 kJ !

!Questa è una reazione esotermica: il calore è un “prodotto” della reazione; Il sistema H2(g) + 1/2 O2(g) ha perso energia pari a !

! ! ! ! !∆H = – 241.8 kJ!

26 Entalpia e stechiometria

H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(g) ∆H˚ = -242 kJ

2 H2(g) + O2(g) --> 2 H2O(g) ∆H˚ = -484 kJ

H2O(g) ---> H2(g) + 1/2 O2(g) ∆H˚ = +242 kJ

H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(l) ∆H˚ = -286 kJ

Entalpie standard di formazione: si riferiscono ad 1 mole di composto formato a partire da elementi in condizioni standard.

Entalpia standard di formazione: ∆H˚ Quando P = 1atm; T = 25 °C; Concentrazione = 1M

27 Entalpia Molare Standard di Formazione, ΔHf0.

L' entalpia standard di formazione di un composto è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di 1 mole di quel composto a partire dai suoi componenti elementari, nel loro stato standard. (P = 1 atm, T = 25°C, 1 mol)

H2(g) + 1/2 O2(g) --> H2O(g) ∆Hf˚ = –242 kJ Il simbolo è ΔHf

0 di un composto può essere >0 o <0 (vedi tabelle nel libro) ΔHf

0 = 0 per un elemento nella sua forma più stabile e.g. Na(s), Hg(l), Cl2(g), Br2 (l), H2 (g), P4(s), C(s)

28 Entalpie standard di formazione, 25°C, 1atm.

29 Come Calcolare la Variazione di Entalpia in una Reazione

per una reazione a A + b B → c C + d D

ΔH°reaz. = Σ(ΔHf° prodotti) – Σ(ΔHf° reagenti) ΔH°reaz.= c × ΔHf°(C) + d × ΔHf°(D) – a × ΔHf°(A) – b × ΔHf°(B)

ΔHf°(elemento/i) = 0 Coefficienti stechiometrici

30 Utilizzo delle entalpie std. di formazione

Calcolare il calore di combustione dell’alcol metilico, i.e., ∆rHo per la reazione

CH3OH(g) + 3/2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) ∆rHo = Σ ∆fHo

(prod) – Σ ∆fHo (reag)

31 Utilizzo delle entalpie std. di formazione

∆rHo = ∆fHo (CO2) + 2 ∆fHo

(H2O) – {3/2 ∆fHo

(O2) + ∆fHo (CH3OH)}

= (-393.5 kJ) + 2 (-241.8 kJ) – {0 + (–201.5 kJ)} ∆rHo = –675.6 kJ per mol di alcol metilico

CH3OH(g) + 3/2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) ∆rHo = Σ ∆fHo

(prod) – Σ ∆fHo (reag)

32 Pg. 244 n.30

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Considerazioni: 1 L di acido pesa 1044 g e contiene 1044 g / 60,05 g/mol = 17,38 mol La reazione esotermica sviluppa 355,9 kJ per ogni mole di acido prodotto, quindi 17,38 moli (prodotte) x 355,9 kJ /mol = 6187 kJ prodotti

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Pg 246 n. 50

(b) Quale è la variazione di entalpia standard per la reazione di 2,5 mol di Mg con l’ossigeno.

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Mg(s) + 1/2 O2(g) --> MgO(s)

Dalla tabella L (nel Kotz) ΔH°f : MgO(s) = – 601,2 kJ/mol

Essendo il rapporto Mg / MgO di 1:1 si formeranno 2,5 mol di MgO.

Quindi ΔH° = - 601,2 kJ/mol x 2,5 mol = - 1503 kJ.

(b) Quale è la variazione di entalpia standard per la reazione di 2,5 mol di Mg con l’ossigeno.

36 ESERCIZI 1) Quanti neutroni sono presenti in un atomo di 109In ? 60 5,8 109 158 2) Quale delle seguenti reazioni è bilanciata correttamente? 2 C2H5OH(l) + 7 O2(g) ---> 4 CO2(g) + 6 H2O(l)

2 NH3(g) + 5 O3(g) ---> 2 NO(g) + 3 H2O(l)

FeCl3(aq) + NaOH(aq) ---> Fe(OH)3(s) + NaCl(aq)

Mg3N2(s) + 6 H2O(l) ---> 3 Mg(OH)2(s) + 2 NH3(g)

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4) Un grammo di metano produce per combustione circa 50 kJ di calore. Che cosa bisogna fare per produrre 3000 kJ di calore? Allontanare la CO2 prodotta. Bruciare 60 grammi di metano. Aumentare la quantità di ossigeno. Bruciare 150.000 g of metano. 5) Quale è il nome del composto Mg3(PO4)2:

fosfato di magnesio fosfito di magnesio fosfuro di magnesio fosforato di magnesio