LA TERMODINAMICA

2H₂O+O₂=2H₂O

Tutti sappiamo che le combustioni sono spontanee, per cui, basta innescarle perché  si verifichino spontaneamente. La combustione è infatti la reazione di una sostanza con O_2.

C(cellulosa)+O₂₌CO₂+H₂O.

Mai nessuno, però, ha visto il processo inverso. La spinta che induce alla realizzazione di una reazione è il fattore energetico: affinché il processo possa avvenire spontaneamente tutti i sistemi evolveranno in modo che i prodotti hanno contenuto di energia inferiore rispetto all'energia associata ai reagenti. Perciò di ogni reazione bisogna studiare il carattere termodinamico: scambio di energia tra il sistema considerato e l'ambiente.

Reagenti+prodotti= SISTEMA

2H2O

2H2O+O2

E₁ = E₂

In questa evoluzione o c'è una perdita di energia(E₁<E₂) o un acquisto di energia(E₂>E₁). Questa energia non può essere né creata, né perduta, ma potrà soltanto essere scambiata:   

1. se E₁>E₂ è l'ambiente esterno che fornisce energia al sistema;
2. se E₂<E₁ il sistema riversa energia all'ambiente esterno.

Parleremo perciò di:SISTEMA TERMODINAMICO...come una porzione percettibile di materia su cui si possono condurre misure macroscopiche(p,v,t). L'AMBIENTE si trova all'interno del sistema e nel quale, la presenza del sistema non influenza i suoi parametri macroscopici. Quindi è ciò che circonda il sistema e con il quale può o non può effettuare uno scambio. I RAPPORTI TRA SISTEMA ED AMBIENTE  sono:

• Sistema isolato:non può scambiare né materia, né energia con l'ambiente esterno.Questi sistemi non sono generalmente sistemi chimici.
• Sistema chiuso o aperto: può scambiare o solo energia o energia e materia con l'ambiente esterno.

Il contenuto energetico di un sistema.

L'energia interna di un sistema è data dalla somma di E_p+E_c. L'energia cinetica dipende dal tipo di sistema chimico. Abbiamo infatti vari tipi di energia cinetica: E_c traslazionale=il moto di ogni particella rispetto alle altre.E_c vibrazionale= dipende dal flusso di e^- e fa sì che gli atomi si allontanino o si avvicino tra di loro.E_c rotazionale= si ha con i legami singoli, attorno a cui ruotano gli atomi. E_c=3/s kt.

L'energia potenziale è data dalla posizione della sostanza nei confronti della forza di natura colombiana, che agisce. Quindi E_p dipende dalla posizione assunta nei confronti di una altra materia che mi crea un campo elettrico.                 

F d

Campo elettrico fisso

P:S: si hanno valori diversi di energia potenziale!

Per convenzione l'Ep assume sempre valori negativi.

Ep= - q₁xq_{2 .} d²      ( d=distanza in contrapposizione del campo elettrico.

d²

Il valore massimo di energia potenziale=0 quando d→∞. L'Epot relativa alle singole particelle o Epot intramolecolare è dovuta alla posizione reciproca che assumono i nuclei e gli e^- degli atomi componenti la singola molecola( a seconda,cioè, dall'equilibrio raggiunto tra p⁺ ed e^-). L'Epot intermolecolare o energia chimica del sistema dipende non solo dall'energia potenziale delle singole molecole componenti, ma anche dalle forze attrattive che le une esercitano sulle altre. Se ad esempio prendiamo i tre stati della materia: passando da solido a liquido, ad aeriforme aumenta la distanza tra le molecole e aumenta anche l'Epot. Vado quindi a misurare le variazioni di energia=ΔE quando il sistema passa dallo stato 1 allo stato 2.Una reazione si definisce ENDOERGONICA o ENDOENERGETICA quando il sistema allo stato2 ha energia maggiore rispetto allo stato 1, cioè quando il sistema assorbe energia dall'ambiente.

E

E₂

E₁

Una reazione si dice invece ESOERGONICA o ESOENERGETICA quando il sistema allo stato 2 ha energia minore rispetto allo stato 1, cioè quando il sistema cede energia all'ambiente esterno.

E E₁

E₂

L'energia può essere ceduta sottoforma di calore, di luce o di lavoro(L)=>(espansione o compressione del gas). Per convenzione si stabilisce di attribuire il segno + al calore fornito dall'ambiente al sistema e segno - al calore ceduto dall'ambiente al sistema. Viceversa L assume segno + al calore quando L viene dal sistema sull'ambiente e segno - quando il L viene fatto dall'ambiente sul sistema.

ΔE=+L-Q          misurando questo posso risalire a ΔE.

ΔE= -L+Q

Nelle trasformazioni che avvengono a volume costante: L=pΔv

Δ=pΔv+Qv         Qv=ΔE

PΔv=0 implica Qv mi dà direttamente ΔE ed è detto calore di reazione a V costante.

+Qv= processo endoergonico

-Qv= processo esoergonico

Con il calorimetro posso misurare il calore di reazione e risalire a ΔE.

Nelle trasformazioni che avvengono a PRESSIONE COSTANTE:

ΔE=pΔE+Qp           Qp=ΔE+pΔv

Ma è difficile misurare pΔv. Perciò si è pensato di studiare solo il calore di reazione a press. Costante.   

Qp=                per definizione è stata detta ENTALPIA.

P:S: il segno dipende dalla variazione di volume!

Qp, invece, mi dà un indice sia della variazione di energia interna ΔE del sistema, ma anche la possibilità del sistema di compiere o subire lavoro L.

Quindi si può dire che Qp=ΔH(variazione dell'entalpia)

+Qp= processo endoergonico    ΔH>0

-Qp= processo esoergonico       ΔH<0

Il calore Q scambiato nelle reazioni che si svolgono a pressione costante esprima per definizione la variazione di Entalpia ΔH tra lo stato termico finaleH(₂) e quello iniziale H(₁) del sistema. Potremo scrivere:     ΔH=H(₂)-H(₁)= Q.

Per calcolare i valori di Entalpia si è posto arbitrariamente=0 il valore di Entalpia di alcune sostanze elementari nello stato fondamentale(cioè nella condizione + stabile) alle condizioni standard(p=atm; t=25°C; 1 mole). Dalla variazioni di Q si può risalire alle entalpie  in modo assoluto.

O₂+2H₂             2H₂O

Con un calorimetro misuro il calore di reazione( + o -).

Qp=ΔH= 2H₂O- Ho₂-Hh₂

Per definizione sono=0

Se sto operando in condizioni Standard riesco a ricavare direttamente l'Entalpia dell' H₂O. Questa è detta Entalpia di formazione di una sostanza pura. La variazione di Entalpia associata alla formazione di una mole di tale sostanza a partire dagli elementi componenti, in condizioni standard.

PROPRIETA' DELL'ENTALPIA:

ΔH è proporzionale alla quantità di sostanza in gioco.

ΔH resta invariato sia che la reazione si svolga in unico stadio, sia che si svolga in più stadi.