Appunti di Chimica

DIPOLO-DIPOLO

Due molecole dipolari interagiscono mediante interazioni dipolo-dipolo. Tali forze

dipendono dall’orientazione delle due molecole: la parte positiva di una molecola

si orienta in prossimità della parte negativa dell’altra molecola. Queste interazioni

possono influire sulle proprietà fisiche (temperatura di fusione, temperatura di

ebollizione). Un esempio è il legame idrogeno. Esso si realizza tra molecole

contenenti atomi di idrogeno legati ad atomi molto elettronegativi

e di piccole dimensioni (come F, O, N). Quindi

nell’acqua si possono stabilire diverse forze di legame.

DIPOLO-DIPOLO INDOTTO

Le sostanze polari possono indurre la formazione di un dipolo permanente nelle

sostanze apolari più facilmente polarizzabili (questo avviene più facilmente

quanto più grandi sono gli atomi).

DIPOLO INDOTTO-DIPOLO INDOTTO (FORZE DI LONDON)

Due atomi di elio, a corta distanza risentono di una debolissima forza di

interazione; anche se elettricamente neutri, i due atomi possono legarsi. Questo

perché esiste la probabilità che, in un istante di tempo, gli elettroni si concentrino

casualmente in una parte di un atomo o di una molecola, che da apolare diventa polare. Quindi

può avere istantaneamente un dipolo, che può indurre altri dipoli. Questa tendenza delle molecole

è detta polarizzabilità. L’intensità di tali interazioni aumenta con il numero degli elettroni presenti

nella molecola e quindi con la massa molare. La polarizzabilità dipende dalla grandezza del dipolo,

più è grande e più è polarizzabile. Le forze esercitate dai dipoli indotti si chiamano forze di

London, che si manifestano sulle proprietà fisiche degli elementi.

LE SOLUZIONI

Le soluzioni sono dispersioni omogenee di due o più specie chimiche una nell’altra, in proporzioni

variabili. La componente più presente è il solvente, quello meno presente si dice soluto.

I modi per esprimere la concentrazione sono:

• percentuale in peso, è il rapporto fra la massa del soluto e la somma fra la massa del soluto e

del solvente, per cento

• frazione polare, meno comune, è il rapporto fra il numero di moli del soluto e la somma fra il

numero di moli del soluto e del solvente. La somma tra il numero di moli del soluto e del

solvente deve fare 1.

• Molarità, corrisponde al rapporto tra il numero di moli del soluto e il volume della soluzione (in

[ ]

litri). Per indicare la molarità, bisogna usare le parentesi quadre, come nell’esempio: =

⁄ .

1,2

L'acqua è un solvente polare, per cui le sostanze che si sciolgono meglio sono in genere polari,

mentre quelle che si sciolgono con più difficoltà sono in genere apolari. Le sostanze si sciolgono a

causa delle forze di legame secondarie.

TENSIONE DI VAPORE Un liquido è tenuto assieme grazie alle forze di

tensione superficiale, quindi le molecole che

stanno in superficie tendono a rientrare nel

liquido. Consideriamo una temperatura

costante, le molecole possono avere energia

sufficiente per scappare da queste forze e

passare dallo stato liquido a quello gassoso ad

una certa velocità (evaporazione). Se poniamo

una campana di vetro, le molecole d'acqua inizieranno a passare alla fase vapore con una certa

velocità; mentre alcune rientreranno nella fase liquida, e la probabilità aumenta se ci sono più

molecole alla fase vapore. Se la temperatura è costante, arriva un momento nel quale la velocità

del procedimento diretto è uguale a quello inverso, di conseguenza il numero di molecole alla fase

vapore rimane costante; tale momento si chiama equilibrio dinamico ( A temperatura

= ′).

costante, anche n è costante, quindi la pressione è costante. Tale pressione è la tensione di

vapore. I liquidi con elevata tensione vengono detti volatili; se bassa vengono detti non-volatili. La

tensione di un liquido aumenta all'aumentare della temperatura in

maniera esponenziale.

La tensione dell'acqua è 23,8 mmHg. A 100 °C assume il valore di

760 mmHg, cioè la temperatura ambiente; in questo momento

avviene l'ebollizione normale. L'ebollizione avviene a pressione

ambiente.

LA TERMODINAMICA CHIMICA

La termodinamica studia i trasferimenti e le

trasformazioni di energia, sotto qualsiasi forma, in

particolare di calore in lavoro e viceversa.

Come sappiamo, una funzione o variabile di stato è una

proprietà che dipende dallo stato attuale di un sistema e

non da come esso ci è giunto. La termodinamica è interessata alla loro variazione Δ.

CALORE E TEMPERATURA

La temperatura, riflette lo stato di agitazione termica delle particelle costituenti

il sistema, ed è quindi correlata all’energia cinetica media delle molecole. Il

calore (Q) è una forma di energia “di transito”. Infatti nell’interazione

termodinamica tra due oggetti a temperatura differente vi è uno scambio di

calore. Esso fluisce spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo fino a

quando non raggiungono la stessa temperatura (equilibrio termico). RICORDA: il

calore non è una funzione di stato!

LAVORO

Il lavoro (L) è una forma di energia che può essere utilizzata per sollevare un peso o azionare un

pistone (lavoro meccanico) per far circolare corrente in un circuito (lavoro elettrico).

Il più semplice è quello meccanico di un gas ideale che aumenta il

proprio volume contro una pressione esterna costante (si espande),

oppure lo diminuisce per azione di una pressione esterna costante (si

comprime). Tale lavoro è indicato come lavoro di tipo PV (pressione

volume), ed esso è dato da: Questa uguaglianza è stata

= ∙ .

ottenuta così:

RICORDA: il lavoro non è una funzione di stato!

Osserviamo che calore e lavoro sono equivalenti. Joule, nel corso di una serie

1[ ]

di esperimenti dimostrò tale equivalenza, come: Il Joule

= 4,184 [].

è l’unità di misura dell’energia; mentre la caloria è la quantità di energia

termica richiesta per aumentare la temperatura di un grammo di acqua da

14,5 °C a 15,5 °C.

Consideriamo una vasca isolata, contenente acqua e con un sistema di pale

meccaniche legate ad un sistema di carrucole, assicurate a dei pesi. Questi

pesi vengono lasciati scendere e attraverso le carrucole, le pale ruotano.

Quando i due pesi raggiungono il suolo, le pale si fermeranno e se misuriamo

la temperatura dell’acqua notiamo che è leggermente aumentata. Questo perché l’energia

meccanica si è trasformata in energia termica, e cioè calore.

SISTEMA E AMBIENTE

Tutto ciò che non è sistema avviene definito come ambiente. L' unione di sistema e ambiente si

chiama universo. Esistono tre tipi di sistemi:

sistema aperto: scambia energia e materia con l'ambiente

• sistema chiuso: scambia energia, ma non materia con l'ambiente

• sistema isolato: non scambia né energia né materia. Il sistema

• isolato più grande è l'universo.

VARIABILI DI STATO

Un sistema termodinamico è descritto da un certo numero di variabili di stato. Esse possono

essere:

• Intensive: non dipendono dalle dimensioni del sistema (es: pressione, temperatura, densità)

• Estensive: dipendono dalle dimensioni del sistema (es.: volume, numero di moli)

Somme o differenze o prodotti o quozienti di variabili di stato sono anch’esse funzioni di stato.

ENERGIA INTERNA

Ogni sistema termodinamico ha un suo contenuto di energia interna (U), che è la sommatoria di

tutte le forme di energia del sistema (cinetica traslazionale e rotazionale, potenziale, vibrazionale,

elettronica…). L’energia interna è una variabile di stato.

Come sappiamo la termodinamica è interessata a variazioni di energia interna, invece dei valori

assoluti (in quanto molto difficile da calcolare).

Un sistema chiuso che scambia con l’esterno (ambiente) calore e

lavoro, varia il suo contenuto di energia interna secondo il primo

principio della termodinamica: in ogni sistema chiuso, per qualsiasi

tipo di trasformazione, il calore (Q) ed il lavoro (L) concorrono a far variare lo stato del sistema. La

variazione dell’energia interna (U) è pari a: = – .

In modo analogo possiamo dire: l’energia dell’Universo è costante. Per un sistema isolato ΔU = 0.

CONVENZIONE DEI SEGNI DI CALORE E LAVORO

• L > 0 Lavoro compiuto dal sistema;

• L < 0 Lavoro compiuto dall’ambiente sul sistema;

• Q > 0 Calore assorbito dal sistema (trasformazione endotermica);

• Q < 0 Calore ceduto dal sistema (trasformazione esotermica).

TRASFORMAZIONI

ENTALPIA

L’Entalpia è una funzione di stato, in quanto somma di una funzione di stato (U) e del prodotto di

due variabili di stato (P e V): L’entalpia di un sistema costituito da una sostanza

= + .

chimica è una grandezza estensiva e va espressa in joule (J), ma può essere anche rapportata ad

una ben definita quantità di sostanza (una mole) e può essere espressa anche in J/mol o kJ/mol.

Determinare l’entalpia in valore assoluto è molto difficile, perché è difficile ottenere il valore

assoluto dell’energia interna.

Possiamo dimostrare che sfruttando anche la forma differenziale:

= ( ) ()

= + → = + = + = + +

Per il I principio: Ipotizzo che il tutto avvenga con una pressione costante.

= – . → = − + +

Siccome la pressione è costante, = 0 → = − + .

Abbiamo anche detto che a pressione costante quindi rimarrà solo: .

= , =

,

Si consideri la generica reazione chimica: L’effetto termico di una

+ → + .

reazione è il o in altre parole il contenuto energetico dei prodotti dopo la reazione:

(Z5B

= – = – = ( + ) − ( + )

(Z5B [ & 1(GMG''& (Z5\ZI'& $ ] 6 7

Ricordando che :

=

,

• quando la reazione assorbe calore , il è positivo (reazione endotermica);

, (Z5B

• quando la reazione cede calore , il è negativo (reazione esoter