Chimica inorganica - l'energia chimica

Energia

Energia è tutto ciò che può essere trasformato in lavoro o fornire calore. La sua unità di misura è il Joule (Kg m² s^-2).

Energie cinetica e potenziale

Energia cinetica: energia posseduta da un corpo in movimento. E = ½ mv²

Energia potenziale: posseduta da un corpo in un campo di forza.

• Es: energia elettrostatica, carica-carica
• Energia gravitazionale: massa-massa

E = mc² (energia relativistica). c = velocità della luce, 3 × 10⁸ m/s.

Quanto è una unità di energia?

Quanto è 1 Joule? 1 J è l'energia necessaria (il lavoro da compiere) applicando la forza di 1 Newton per spostare un oggetto di 1 m lungo la direzione di applicazione della forza.

Calcolo dell'energia necessaria

Calcoliamo l'energia necessaria per sollevare ad 1 m da terra un oggetto con una massa di 1 kg:

La forza necessaria per compiere una tale operazione è:

F = m x a = 1 kg x 9,81 m/s² = 9,81 N

Se lo spostamento è di un metro, il lavoro svolto (l'energia spesa) è:

E = F x d = 9,81 N x 1 m = 9,81 J

In pratica, con 1 J si può alzare la massa di circa 1 kg per 0,1 m oppure una massa di 0,1 kg per circa 1 m.

Difetto di massa

Quando i nucleoni (protoni e neutroni) fanno parte del nucleo, hanno massa minore rispetto a quando sono liberi e in stato di quiete. La massa che i nucleoni perdono è uguale all'energia con cui sono legati nel nucleo: E = mc², dove c = velocità della luce, 3 × 10⁸ m/s.

Esempio: O¹⁶

Massa atomica teorica: 8 protoni + 8 neutroni = 8 × 1,008665 + 8 × 1,007825 = 16,131925

Massa reale: 15,994915

Difetto di massa = 16,131925 - 15,994915 = 0,137010

Per una mole: 0,137010 g/mol

Energia = mc = 0,13701 × 10^-3 Kg/mol × 9 × 10¹⁶ m²/s² = 1,23 × 10¹³ J/mol

Energia nucleare

Quanto è un Joule? Occorre spendere 1 Joule di energia per sollevare un oggetto di 1 kg di 0,1 m da terra.

Riconsideriamo una mole di atomi di O¹⁶. Abbiamo visto che l'energia contenuta in una mole di nuclei data dal difetto di massa è: 1,23 × 10¹³ J.

Occorrono circa 2600 J per scaldare e vaporizzare 1 g di acqua. L'energia contenuta in una mole di O¹⁶ (16 g) sarebbe capace di vaporizzare circa 4730 tonnellate d'acqua.

Per produrre energia si bruciano combustibili fossili sostanzialmente costituiti da molecole contenenti C ed H. Mediamente si osserva che:

• Combustione C ⇒ 4 × 10⁵ J per mole di C