Convertitori di energia

Tabella dei rendimenti

Esempi

Macchina Energia fornita Energia utile Rendimento

Macchina a vapore chimica meccanica 3-10%

Motore Otto chimica meccanica 10-30%

Motore Diesel chimica meccanica 15-35%

Motore elettrico elettrica meccanica 20-99,5%

Centrale termoelettrica chimica elettrica 25-40%

Centrale idroelettrica gravitazionale elettrica 80-90%

Fotosintesi (reazione) radiazione solare chimica 35%

Respirazione cellulare Chimica Chimica 40%

Collettore solare radiazione solare calore fino all'85%

Caminetto chimica calore 10-30%

Alternatore (2) meccanica elettrica 95-99,5%

Dinamo di bicicletta meccanica elettrica 20-60%

Cella fotovoltaica radiazione solare elettrica 5-37%

Cella a combustibile chimica elettrica 50-80% (?)

LA CELLULA

LA RESPIRAZIONE CELLULARE

LA FOTOSINTESI

CONVERTITORI DI ENERGIA IDEATI DALL’UOMO

IL FUTURISMO

La cellula

COME CONVERTITORE

NATURALE DI ENERGIA

THE CELL

The cell is the basic unit of life, all organism are made up of cell. Organisms can be

unicellular, that is, made up of one cell such as an Amoeba, or multicellular , like plants,

animals, and man. Cells are covered by a cell membrane and come in many different

shapes. There are two basic types of cell: prokaryotic, which is smaller and does not

show a nucleus, and eukaryotic, which contains the nucleus delimited by a membrane.

The structure of plant and animal cells is very similar because they are both eukaryotic

cells;

Their three main components are:

• The cell membrane that is a very thin, flexible and elastic layer which surrounds the cell.

It is made of fats and proteins .

• The cytoplasm, a jelly-like substance, which consists of water and protein and contains

membrane bound organelles such as the nucleus, mitochondria, endoplasmic reticulum,

Golgi apparatus, lysosomes, and peroxisomes.

• The nucleus which has a round shape and is inclosed by a nuclear membrane. It

controls the development and activities of the cell, especially cell division. It contains

chromosomes made of protein and nucleic acids (DNA and RNA) which carry genetic

information from cell to cell ,and from generation to generation.

Plant cells usually have some features in addition:

• A cell wall, which is normally composed of cellulose, is rigid, and it gives the

plant cell its regular many-sided shape;

• A vacuole, which is a cavity in the centre of the cell containing a liquid, known as

a cell sap. This may be a store of water and dissolved substances, such as sugar.

• Chloroplasts which are present in the cytoplasm in different numbers; they are

green, due to the pigment chlorophyll, and are the site of photosynthesis.

RESPIRAZIONE

CELLULARE

FOTOSINTESI CLOROFILLIANA

Cos’è una reazione di

ossidoriduzione?

Sono reazioni che comportano spostamenti (o trasferimenti) di elettroni, avente

come effetto l’insorgere di forze attrattive che rendono gli atomi legati

energicamente più stabili degli atomi liberi. La maggior parte delle reazioni

chimiche può essere descritta come una “competizione” tra due atomi per il

possesso di uno o più elettroni,se gli atomi sono diversi,sarà quello più

elettronegativo a prevalere e in base alla differenza di elettronegatività,

potrà appropriarsi totalmente oppure parzialmente di uno o più elettroni: nel

primo caso si trasformerà in uno ione negativo e con l’altro

atomo,trasformato in ione positivo,stabilirà un legame ionico;nel secondo

caso invece si viene a creare un legame covalente polare.

Attraverso il numero di ossidazione possiamo verificare gli spostamenti di

elettroni che si verificano durante le reazioni:

• Aumento del numero di ossidazione → perdita di e → ossidazione.

-

• Diminuzione del numero di ossidazione → acquisto di e → riduzione.

-

Di conseguenza si definisce:

• Agente ossidante quella specie chimica che provoca ossidazione e subisce

riduzione.

• Agente riducente quella specie chimica che provoca riduzione e subisce

ossidazione.

Come facciamo a bilanciare una reazione di ossidoriduzione?

Bisogna stabilire i coefficienti stechiometrici mediante due metodi principali: il metodo

della variazione dei numeri di ossidazione e il metodo delle semireazioni.

Nel bilanciare una reazione di ossidoriduzione si devono tener presenti due requisiti:

1. il numero degli elettroni ceduti al sistema che si ossida (-ne-) deve essere uguale al

numero degli elettroni acquistati dal sistema che si riduce (+ne-) .

2. deve essere rispettata le legge della conservazione della massa, per cui il

bilanciamento deve riguardare, oltre al numero degli elettroni, anche il numero degli

atomi degli elementi coinvolti nella reazione.

METODO DELLA VARIAZIONE DEL NUMERO DI OSSIDORIDUZIONE:

Con questo metodo data un’equazione non bilanciata, per prima cosa si assegnano i

numeri di ossidazione solo agli atomi in cui si osservano variazioni del numero di

ossidazione,

successivamente si individuano le coppie ossidante/ossidante ridotto e

riducente/riducente ossidato (coppia redox) e si collegano con una freccia,indicando le

rispettive variazioni del numero di ossidazione e moltiplicando tali variazioni per un

fattore tale che esse risultino uguali (in tal modo gli elettroni acquistati sono uguali agli

elettroni ceduti).

Si ottiene così la reazione bilanciata.

IL METODO DELLE SEMIREAZIONI:

Il metodo delle semireazioni è indicato soprattutto per le reazioni redox che avvengono

in soluzione acquosa, dove le specie dissociate sono rappresentabili in forma ionica.

Questo metodo consiste nello spezzare la reazione complessiva in due semireazioni,

l’una relativa alla sequenza di ossidazione, l’altra relativa alla sequenza di riduzione.

Ciascuna semireazione viene bilanciata separatamente e le due semireazioni sono

alla fine sommate per ottenere l’equazione finale.

PREVISIONE DELL’ANDAMENTO DI SEMPLICI REAZIONI REDOX

È possibile inoltre prevedere l’andamento di semplice reazioni redox. Tutti i metalli

alcalini e alcuni metalli alcalino-terrosi reagendo con l’acqua,a freddo, danno luogo a

reazioni redox in cui si libera idrogeno. Un esempio ne sono il sodio e il calcio ,che

danno origine alle seguenti reazioni:

Na (s) + H (l) → Na OH (aq) + ½ H (g)

0 2+1 +1 0 2

Ca (s) + 2H O → Ca (OH) (aq) + H (g)

0 +1 +2 0

2 2 2

molti altri metalli non sono in grado di spostare l’idrogeno dall’acqua;sono invece in

grado di spostarlo dagli acidi. La velocità con la quale in queste reazioni si sviluppa

idrogeno è un indice della reattività dei metalli coinvolti nella reazione.

Inoltre alcuni metalli in soluzione acquose saline danno origine a reazioni redox in cui

il metallo si ossida mentre gli ioni del sale si riducono. Ad esempio se si immerge una

lamina di Cu in una soluzione di AgNO sulla lamine di rame si deposita dell’argento

3

metallico, mentre il rame si scioglie formando ioni rameici, Cu . Questo indica che

2+

avvenuta una reazione redox in cui il rame, Cu, è stato ossidato dallo ione argento,

Ag , che si è ridotto.

+

Immergendo altri metalli in soluzioni contenenti sali di metalli differenti si verifica che il

comportamento di ciascun metallo dipende dal tipo di ioni presenti nella soluzione con

cui esso viene a contatto. In base ai dati sperimentali è possibile costruire una serie di

attività in cui gli elementi metallici e l’idrogeno sono ordinati secondo il loro potere di

ossidarsi e quindi di ridurre lo ione idrogeno oppure gli ioni di altri metalli in soluzione

acquosa.

I metalli, per esempio, che nella serie si trovano sopra l’idrogeno, possono spostare

l’idrogeno dall’acqua oppure da un acido, mentre quelli che si trovano sotto l’idrogeno

non sono in grado di farlo. Ogni metallo, inoltre, sposterà spontaneamente dai loro

Sali i metalli che in questa scala occupano una posizione sottostante alla sua. In

definitiva si può dire che l’attività dei metalli dipende dalla loro tendenza a cedere

elettroni, cioè a ossidarsi, e tale tendenza varia da un metallo all’altro secondo

l’ordine indicato nella tabella delle serie di attività.

La serie di attività viene anche denominata serie delle forze elettromotrici perché la

tendenza di un metallo a ridurre gli ioni i un altro può essere misurata costruendo una

pila elettrica e misurando la forza elettromotrice prodotta. TORNA..

LA RESPIRAZIONE

CELLULARE

Necessita di ossigeno,è un processo aerobico tramite il quale le cellule ricavano

energia dalle molecole presenti negli alimenti. La funzione fondamentale della

respirazione cellulare è l’estrazione di energia da varie molecole organiche e la sua

trasformazione in ATP.

La respirazione cellulare è un processo continuo che si può dividere in tre stadi:

• Glicolisi,avviene nel citoplasma.

• Ciclo di Krebs, avviene nei mitocondri.

• fosforilazione ossidativa, avviene nei mitocondri.

GLICOLISI

In questo processo si verifica la scissione di molecole di zucchero.

Il reagente iniziale della glicolisi è una molecola di glucosio,mentre i prodotti finali

sono due molecole di acido piruvico.

La trasformazione del glucosio in acido piruvico avviene in nove tappe ciascuna

catalizzata da uno specifico enzima. Durante la glicolisi si verificano la riduzione di due

molecole di NAD a NADH e la produzione di due molecole di ATP mediante un

processo chiamato fosforilazione a livello del substrato.

Le singole tappe della glicolisi possono essere raggruppate in due fasi principali. La

prima fase è preparatoria e consuma energia la seconda fase invece ne produce una

certa quantità.

PRIMA DI ENTRARE NEL CICLO DI KREBS

prima di entrare nel ciclo di Krebs, l’acido piruvico subisce alcuni importanti trattamenti

chimici. Queste modificazioni avvengo quasi contemporaneamente e in tre tappe:

• L’acido piruvico viene ossidato, mentre una molecola di NAD si riduce a NADH;

• Un atomo di carbonio viene rimosso e liberato sotto forma di CO2,

• Un composto detto coenzima A,derivato di una vitamina del gruppo B,si lega al

frammento a due atomi di carbonio che deriva dall’acido piruvico, per formare una

molecola chiamata acetilcoenzima A o acetil-CoA.

CICLO DI KREBS

Lo stadio finale della respirazione cellulare prende il nome di fosforilazione ossidativa e

comprende sia la catena di trasporto degli elettroni che la chemiosmosi.

• Nella catena di trasporto gli elettroni ceduti dal NADPH,che si è ossidato a

NAD ,scendono lungo i trasportatori di elettroni mediante reazioni di ossidoriduzione.

+

La sintesi dell’ ATP avviene grazie ad un processo chiamato chemiosmosi.

In questo processo durante la “cascata” degli elettroni lungo la catena di trasporto gli

ioni H presenti nella matrice mitocondriale vengono trasportati attivamente nello

+,

spazio intermembrana. Si genera una differenza di concentrazione degli ioni H ai due

+

lati della membrana interna mitocondriale. Gli ioni H rientrano nella matrice

+

mitocondriale grazie all’ATP sintetasi, un complesso enzimatico che catalizza la sintesi

di ATP a partire da ADP e fosfato. TORNA..

A FOTOSINTESI CLOROFILLIANA

La fotosintesi clorofilliana è tipica degli organismi autotrofi e permette loro di

trasformare l’energia solare in energia chimica e di utilizzare tale energia per

sintetizzare alimenti partendo da semplici sostanze inorganiche come CO2 e H2O.

La fotosintesi è costituito da due stadi,ciascuno composto da diverse tappe:

• fase luminosa ;

• fase al buio o ciclo di Calvin;

LA FASE LUMINOSA ha inizio quando la radiazione solare viene assorbita dai pigmenti

presenti nei cloroplasti.

Esistono però diversi tipi di pigmenti:

• clorofilla a.

• clorofilla b.

• carotenoidi.

La fase luminosa avviene in complesse strutture chiamate fotosistemi:

Come avviene la fase luminosa??

L’energia chimica ottenuta dalla trasformazione dell’energia luminosa viene

immagazzinata sotto forma di ATP e NADPH nel seguente modo:

LA FASE AL BUIO O CICLO DI CALVIN:

Non necessita di luce,le molecole importanti di questo processo sono la CO , l’ATP e il

2

NADPH.

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