Concetti Chiave
- Il calore è una forma di energia che non è funzione di stato, mentre l'entalpia è una funzione di stato, utile per calcoli a pressione costante.
- Il calore specifico definisce l'energia necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di 1 kg di un materiale, con valori specifici per diverse sostanze.
- Le reazioni esotermiche rilasciano calore e hanno un segno negativo per il cambiamento di entalpia, mentre le reazioni endotermiche assorbono calore con un segno positivo.
- L'entropia misura il disordine di un sistema e tende ad aumentare in trasformazioni con maggiore disordine molecolare, influenzando la spontaneità delle reazioni.
- L'energia libera di Gibbs determina la spontaneità di una reazione, risultando spontanea quando il cambiamento di Gibbs è negativo, influenzato da entalpia, entropia e temperatura.
Indice
Termochimica
Il calore ( Q )
Il calore è una forma di energia di seconda specie che non è una funzione di stato, va quindi trattata con molta cautela.
Vi sono molti tipi di energia: per esempio l’energia meccanica è la più facile da descrivere poiché agisce sempre quando appare uno spostamento. Vi sono invece scambi di calore quando vi è una variazione di temperatura , essi però non sono “infiniti”: in un certo momento la temperatura smette di aumentare, si parla di stasi termica.
Funzione di stato: una funzione è di stato se la sua variazione dipende esclusivamente dal punto di partenza al punto di arrivo, indipendentemente dal percorso seguito.
Entalpia ( H )
Per tutte queste ragioni quando abbiamo a che fare con il calore ci conviene considerarlo in una situazione ben precisa, ovvero a pressione costante, ma allora non si parlerà di calore bensì della sua funzione di stato, detta entalpia.
∆H = Q (p)
Calore specifico ( c )
Il calore specifico di un materiale corrisponde al calore necessario per far aumentare di 1°C un kg di massa. Quello dell’acqua è 4,186 k•J/kg•°C, ovvero una kcal.c = Q / (m • ∆t)
La convenzione dei segni
Useremo la convenzione detta “egoistica” dove tutto “gira attorno” al sistema: quello che è a vantaggio del sistema avrà, quindi, segno positivo, quello che invece abbandona il sistema avrà, invece, segno negativo.Le reazioni esotermiche
Una reazione è esotermica quando il calore abbandona il sistema, e quindi ha segno negativo.R —> P + cal oppure —> P ∆Hr
Entropia (S)
L’entropia è una grandezza termodinamica da adottare come misura del grado di disordine di un sistema, si indica con il simbolo S e si misura in J · K-1 · mol-1. Per ogni processo di trasformazione è possibile determinare la variazione di entropia ∆S calcolando la differenza tra l'entropia dei prodotti e quella dei reagenti:
Un’altra causale dell’aumento di S è l’aumento del numero delle molecole: se il numero delle molecole dei prodotti è maggiore del numero delle molecole dei reagenti, ∆S>0.
Grado di disordine
Lo scopo della termochimica non è solo determinare quanto calore necessita/libera una reazione, ma anche determinare se essa è spontanea.
Il secondo principio della termodinamica afferma: “Una reazione per essere spontanea deve provocare un aumento di entropia dell’universo”
Vi sono due casi in cui queste informazioni sono sufficienti per determinare la spontaneità di una reazione.
∆Ss > 0 & ∆Sa > 0 —> Reazione sempre spontanea
∆Ss Reazione mai spontanea
Negli altri casi abbiamo bisogno di una nuova grandezza.
le reazioni endotermiche
Una reazione è endotermica quando il calore entra nel sistema, e quindi ha segno positivo.R + cal —> P oppure R —> P ∆Hr>0
LEGGE DI HESS
∆H0reazione =∑ ∆HfP0 - ∑ ∆HfR0
Tutte le entalpie sono prese “con zero” quindi con condizioni conosciute: - tutte le sostanze gassose vengono prese alla pressione di 1bar -tutte le sostanze sono prese alla temperatura di 25°C -tutte le soluzioni vengono prese con concentrazione 1M ∆H di formazione = energia necessaria per ottenere quel determinato composto dagli elementi che lo compongono, ai quali per convenzione è stata assegnata entalpia uguale a 0. Si misura in KJ/mol.Entropia (S)
L’entropia è una grandezza termodinamica da adottare come misura del grado di disordine di un sistema, si indica con il simbolo S e si misura in J · K-1 · mol-1. Per ogni processo di trasformazione è possibile determinare la variazione di entropia ∆S calcolando la differenza tra l'entropia dei prodotti e quella dei reagenti:
∆Sreazione = Sprodotti - Sreagenti
Generalmente ∆S è maggiore di 0 quando nella reazione si passa da reagenti ad uno stato con struttura molecolare ordinata e compatta a dei prodotti la cui struttura interna è disordinata. Ecco quindi che l’entropia aumenta nel passaggio da solido a liquido e a gas. Un’altra causale dell’aumento di S è l’aumento del numero delle molecole: se il numero delle molecole dei prodotti è maggiore del numero delle molecole dei reagenti, ∆S>0.
Grado di disordine
Lo scopo della termochimica non è solo determinare quanto calore necessita/libera una reazione, ma anche determinare se essa è spontanea.
Il secondo principio della termodinamica afferma: “Una reazione per essere spontanea deve provocare un aumento di entropia dell’universo”
Vi sono due casi in cui queste informazioni sono sufficienti per determinare la spontaneità di una reazione.
∆Ss > 0 & ∆Sa > 0 —> Reazione sempre spontanea
∆Ss Reazione mai spontanea
Negli altri casi abbiamo bisogno di una nuova grandezza.
Energia libera di Gibbs (G)
Una reazione per essere spontanea deve avere ∆G minore di 0∆G
Grazie a questa formula possiamo determinare la temperatura di equilibrio, ovvero la temperatura sopra o sotto la quale la reazione è spontanea.
Il ∆H della reazione e ci da informazioni sul ∆S dell’ambiente: se esso è negativo, il ∆S dell’ambienta aumenta, e viceversa.
Possiamo quindi dire che:
∆H negativo —> elemento a favore della spontaneità
∆H positivo —> elemento contro la spontaneità
∆S positivo —> elemento a favore della spontaneità
∆S negativo —> elemento contro la spontaneità
In conclusione:
∆G = + ∆H - (-T∆S) —> reazione mai spontanea poiché G>0
∆G = - ∆H - (+T∆S) —> reazione sempre spontanea
∆G = + ∆H - (+T∆S) —> reazione spontanea se T>Teq
∆G = - ∆H - (-T∆S) —> reazione spontanea se T
∆G = ∆Hreazione - T∆Sreazione
Dove T in kelvin è la temperatura a cui avviene la reazione.Grazie a questa formula possiamo determinare la temperatura di equilibrio, ovvero la temperatura sopra o sotto la quale la reazione è spontanea.
Teq = ∆Hreazione / ∆Sreazione
Il ∆S della reazione ci da informazioni sul ∆S del sistema: se esso è maggiore di 0, sarà maggiore anche il ∆S del sistemare viceversa.Il ∆H della reazione e ci da informazioni sul ∆S dell’ambiente: se esso è negativo, il ∆S dell’ambienta aumenta, e viceversa.
Possiamo quindi dire che:
∆H negativo —> elemento a favore della spontaneità
∆H positivo —> elemento contro la spontaneità
∆S positivo —> elemento a favore della spontaneità
∆S negativo —> elemento contro la spontaneità
In conclusione:
∆G = + ∆H - (-T∆S) —> reazione mai spontanea poiché G>0
∆G = - ∆H - (+T∆S) —> reazione sempre spontanea
∆G = + ∆H - (+T∆S) —> reazione spontanea se T>Teq
∆G = - ∆H - (-T∆S) —> reazione spontanea se T
Domande da interrogazione
- Che cos'è il calore specifico e come si calcola?
- Qual è la differenza tra reazioni esotermiche ed endotermiche?
- Come si determina la spontaneità di una reazione secondo il secondo principio della termodinamica?
- Cosa indica l'energia libera di Gibbs (G) in una reazione chimica?
- Come si calcola la temperatura di equilibrio di una reazione?
Il calore specifico di un materiale è il calore necessario per aumentare di 1°C un kg di massa. Si calcola con la formula c = Q / (m • ∆t).
Le reazioni esotermiche rilasciano calore e hanno un segno negativo, mentre le reazioni endotermiche assorbono calore e hanno un segno positivo.
Una reazione è spontanea se provoca un aumento di entropia dell'universo, ovvero se ∆Ss > 0 e ∆Sa > 0.
L'energia libera di Gibbs indica la spontaneità di una reazione; una reazione è spontanea se ∆G è minore di 0.
La temperatura di equilibrio si calcola con la formula Teq = ∆Hreazione / ∆Sreazione, determinando la temperatura sopra o sotto la quale la reazione è spontanea.
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