Chimica Generale

DIAGRAMMI DI STATO

Un diagramma di stato è un grafico che riassume le condizioni nelle quali le diverse fasi sono

separate dai confini di fase, curve che rappresentano la condizioni nelle quali le due fasi possono

coesistere all’equilibrio.

ENERGIA

L’energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere un lavoro o di scambiare calore.

Esistono due forme di energia fondamentali:

-ENERGIA CINETICA (E ), che è quella associata al movimento di un corpo ed è proporzionale alla

c

massa (m) del corpo e al quadrato della sua velocità (v):

1 2

m v

⋅

2

- ENERGIA POTENZIALE (E ), che è quella associata alla posizione (rispetto a un sistema di

p

riferimento) di un corpo sul quale agiscono forze dovute alla presenza di altri corpi. Se il corpo di

massa m si trova a un'altezza h rispetto al suolo, la sua energia potenziale è data da

E = m g h

⋅ ⋅

P

- ENERGIA MECCANICA, che è definita come la somma dell’energia cinetica e dell’energia

potenziale;

Altre forma di energia sono:

- ENERGIA TERMICA, derivante dal moto di agitazione delle particelle costituenti la materia e data

dalla somma delle loro energie cinetiche;

- ENERGIA LUMINOSA, derivante dall’emissione di radiazioni da parte dei corpi;

- ENERGIA CHIMICA, che dipende dalla struttura atomico-molecolare di un corpo e dai legami che

si formano o si rompono in una reazione;

- ENERGIA ELETTRICA, che è l’energia prodotta dalla distribuzione di cariche elettriche ed è

prodotta dai generatori; Appunti di Chimica

CALORE

Il calore può essere definito come il trasferimento di energia termica fra due corpi dovuto

unicamente alla loro differenza di temperatura, e si indica con il simbolo q.

Se un processo acquista calore dall’ambiente viene detto processo endotermico (q>0); se invece

rilascia calore all’ambiente viene detto processo esotermico (q<0).

LAVORO

Il lavoro, in senso termodinamico, è uno scambio di energia di natura meccanica causato da forze

agenti sul sistema. Il lavoro di una forza, infatti, è il prodotto dell’intensità della forza applicata per la

lunghezza dello spostamento che ne causa: L = F s

⋅

Nel sistema S.I. l'unità di misura del lavoro è il Joule, che corrisponde al Newton per metro (N*m),

dunque ad una forza applicata in una determinata distanza. Il lavoro si distingue in:

LAVORO POSITIVO (+), se è compiuto sul sistema (F ed s hanno lo stesso verso);

• LAVORO NEGATIVO (-), se è compiuto dal sistema (F ed s hanno verso opposto).

•

PRESSIONE

La pressione è una proprietà della materia definita come la forza esercitata su una superficie e si

esprime come: F

P = S

L’unità di misura della pressione nel SI è il Pascal (Pa), definito come la forza di un Newton applicata

su un metro quadrato. Un’altra unità di misura, basata sul Pascal, è il bar definito come:

5

1 bar = 10 Pa = 0,1 MPa

L’esempio più pratico di pressione è quello della pressione atmosferica, risultante dalla forza

sperimentata da qualsiasi area esposta all’atmosfera terrestre derivante dal peso dell’aria sopra di

essa. Essa è la base per due comuni unità di pressione:

PRESSIONE ATMOSFERICA STANDARD (atm)

• 1 atm = 1,01325 bar

TORRICELLI (torr)

• 1 torr = 1 / 760 atm Appunti di Chimica

TEMPERATURA

La temperatura è la grandezza fisica che fornisce la misura dello stato termico di un corpo e di

conseguenza fornisce la capacità di un corpo di scambiare calore con altri corpi o con l’ambiente.

La temperatura di qualsiasi corpo si misura con il termometro che viene accompagnato dalle sue

scale:

CLASSIFICAZIONE DEI PROCESSI

Qualsiasi processo può essere classificato a seconda delle sue proprietà ed in base all condizioni

secondo le quali si attua, infatti esistono diversi tipi di processo:

- ADIABATICO, che avviene ad energia termica costante;

- ISOENTALPICO, che avviene ad entalpia costante;

- ISOENTROPICO, che avviene ad entropia costante;

- ISOBARO, che avviene a pressione costante;

- ISOCORO, che avviene a volume costante;

- ISOTERMO, che avviene a temperatura costante;

- n

POLITROPICO, .

p V = cost

⋅

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il primo principio della termodinamica rappresenta una formulazione del principio di conservazione

dell'energia e afferma che l'energia di un sistema termodinamico non si crea né si distrugge, ma si

trasforma, passando da una forma a un'altra. Quindi un sistema può variare il proprio contenuto di

q

energia solo attraverso scambi di energia interna e di lavoro con l’ambiente. Se si indica con il

L

calore che il sistema scambia con l'ambiente circostante e si indica con il lavoro allora il bilancio

energetico del sistema termodinamico, che rappresenta il primo principio della termodinamica, si

scrive: ΔU = q + L

SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il secondo principio della termodinamica ha due differenti enunciati che derivano dall’osservazione

di due diversi fatti sperimentali, tuttavia essi si rivelano tra loro completamente equivalenti.

- ENUNCIATO DI KELVIN-PLANCK: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui

unico risultato sia la conversione in lavoro del calore fornito da una sorgente a temperatura

uniforme;

- ENUNCIATO DI CLAUSIUS: afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico

risultato sia il passaggio di calore da un corpo ad una data temperatura ad un altro a temperatura

maggiore. Appunti di Chimica

TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il terzo principio della termodinamica, detto anche teorema di Nernst, afferma che l’entropia di una

sostanza pura nella forma termodinamicamente più stabile è allo zero assoluto della temperatura

(0 K), indipendentemente dalla pressione. Per la maggior parte delle sostanze, la forma più stabile a

0 K è quella cristallina, ad eccezione dell’elio che rimane liquido per pressioni inferiori 10 bar.

ENTALPIA

L’entalpia è una funzione di stato strettamente correlata al primo principio della termodinamica che

quantifica la variazione di energia interna di un sistema e del lavoro compiuto sull’ambiente,

ΔU = q + L < = > q − PΔV da cui q = ΔU + PΔV e quindi :

p p

H = U + PV

dove U è l’energia interna del sistema, P e V sono rispettivamente la pressione e il volume del

sistema. A pressione costante vi sarà solo lavoro di espansione e quindi:

q = ΔH

p

ENTROPIA

L’entropia è una funzione di stato estensiva che può essere interpretata come la misura del grado di

disordine di un sistema. Viene generalmente indicata con la lettera S e si misura in J/K. Nello

specifico l’entropia viene utilizzata in termochimica per determinare il numero di modi in cui lo stato

macroscopico di un sistema può essere rappresentato microscopicamente. Questa grandezza

venne introdotta da Rudolf Clausius, il quale postulò che la variazione di entropia di un sistema che

copie un processo reversibile è uguale al calore assorbito in maniera reversibile diviso per la

temperatura del sistema: d q rev

BA

ΔS = ∫ T

Se il processo avviene a temperatura costante, invece:

q rev

ΔS = T

ENERGIA LIBERA DI GIBBS

L’energia libera di Gibbs è una funzione di stato estremamente utile per determinare la spontaneità

di un processo e la natura di un equilibrio fisico o chimico. Infatti, se la trasformazione è

ΔG < 0

spontanea, se il sistema è all’equilibrio e se la trasformazione non è spontanea. Il

ΔG = 0 ΔG > 0

suo valore è dato da: G = H − TS

dove T è la temperatura, H ed S sono rispettivamente entalpia ed entropia del sistema.

La variazione di energia libera, invece, per un processo a temperatura costante, è uguale a:

ΔG = ΔH − TΔS

EQUILIBRIO DI FASE LIQUIDO-VAPORE

L’equilibrio fisico liquido-vapore è la condizione in cui due fasi, una liquida e una vapore, stanno in

equilibrio termodinamico tra di loro. L’equilibrio che si viene a creare è di tipo dinamico, ovvero, la

velocità di evaporazione del liquido eguaglia la velocità di condensazione del vapore. Questo tipo di

equilibrio sussiste in un determinato intervallo di temperatura, pressione e volume e può essere

descritto graficamente dalla cosiddetta curva di equilibrio.

La concentrazione del vapore in equilibrio con il suo liquido è data in termini di tensione di vapore di

una soluzione e può essere determinata attraverso la legge di Raoult.

Appunti di Chimica

LEGGA DI RAOULT

La legge di Raoult descrive la variazione della tensione di vapore di un solvente all’aggiunta di un

soluto in soluzione. Essa stabilisce che la pressione parziale di un componente i nella fase vapore

all’equilibrio è data dal prodotto della frazione molare del componente nella soluzione per la

tensione di vapore di i nel suo sto liquido puro: 0i

p = x P

i

i

EQUILIBRIO CHIMICO

L'equilibrio chimico è processo dinamico dipendente dalla temperatura in cui le concentrazioni delle

specie chimiche che partecipano a una reazione chimica non variano complessivamente nel tempo.

COSTANTE DI EQUILIBRIO E LEGGE DI AZIONE DI MASSA

Per la generica reazione chimica la costante di equilibrio è data dal rapporto tra

a A + bB c C + dD

il prodotto delle concentrazioni dei prodotti e il prodotto delle concentrazioni dei reagenti, con

ciascuna concentrazione che presenta come esponente il relativo coefficiente stechiometrico.

Quindi, in termini matematici, la costante di equilibrio (K) è espressa secondo la legge di azione di

massa come: c d

[C] [D]

K =

eq a b

[A] [B]

La costante d’equilibrio può essere espressa anche in termini di attività, pressione o frazione molare:

cC dD

cC dD cC dD

p p x x

a a K =

K = K =

a x

p

aA bB aA bB

aA bB x x

a a p p

PRINCIPIO DI LE CHÂTELIER

Il principio di Le châtelier consente di valutare gli effetti dovuti a variazioni di concentrazione,

temperatura, pressione e/o volume sull’equilibrio chimico ed afferma che se si impone una

variazione su un sistema in equilibrio, la posizione dell’equilibrio si sposta nella direzione che riesce

a minimizzare gli effetti di tale variazione.

EQUILIBRIO OMOGENEO

Un equilibrio viene detto omogeneo se i reagenti e i prodotti si trovano nella stessa fase, ad esempio

una miscela di gas o di soluzioni con un