Entalpia

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 TERMOCHIMICA : I PRINCIPIO  e ENTALPIA

La Termodinamica studia le proprietà macroscopiche della materia senza entrare nel merito della struttura molecolare. Spiega se una trasformazione può  o non può avvenire fino a raggiungere uno stato di equilibrio. Non ci dice nulla sul tempo necessario. Infatti per ogni reazione dobbiamo sapere:

  • se è termodinamicamente possibile
  • se avviene con una velocità apprezzabile

ALCUNE DEFINIZIONI

SISTEMA E AMBIENTE:
si definisce “sistema” una porzione di materia delimitata da confini e/o superfici reali o immaginarie e che è oggetto del nostro studio; si definisce “ambiente” tutto ciò che si trova al di fuori del sistema ma interagisce con esso. L’insieme di sistema+ambiente si chiama UNIVERSO.
Il SISTEMA TERMODINAMICO è un sistema che può essere descritto mediante grandezze fisiche ( temperatura, pressione : grandezze INTENSIVE)  e grandezze o variabili chimiche ( es. numero di moli : grandezza ESTENSIVA).

I sistemi si possono classificare in:

  • APERTI : quando scambiano sia energia che materia con l’ambiente
  • ISOLATI : quando non scambiano nè energia nè materia con l’ambiente
  • CHIUSI : quando scambiano solo energia con l’ambiente

Un sistema viene descritto da grandezze fisiche che dipendono solo dallo stato iniziale e finale e non dal percorso effettuato per far avvenire la trasformazione: queste grandezze sono dette FUNZIONI DI STATO (es. temperatura, volume, pressione)

ENERGIA : capacità di un corpo di compiere un lavoro o quantità di calore posseduta da un corpo
Unità di misura JOULE = N x m = Kg x m2/ s2      cal = 4,184 J
CALORIA : quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1 grammo di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C

L’ energia si può presentare sotto diverse forme:
ENERGIA CINETICA  associata al movimento di un corpo  E = ½ m v2
ENERGIA POTENZIALE  associata alla posizione di un corpo  E = mgh

LAVORO : viene associato allo sforzo compiuto da una macchina o da un essere vivente per spostare un oggetto. Infatti il lavoro meccanico è dato da:
L = F x s  ( forza x spostamento)
Nel caso in cui il lavoro è associato ad una variazione di volume ( fatto piuttosto frequente nelle reazioni chimiche) allora :
L = P x DV
Il lavoro non è funzione di stato; infatti dipende da come viene effettuata la trasformazione
Il lavoro è un modo di trasferire energia dal sistema all’ambiente e viceversa

Secondo la “convenzione egoistica”
L > 0  lavoro compiuto dal sistema
L < 0  lavoro subito dal sistema

CALORE
E’ un altro modo per trasferire energia ed è considerata una forma disordinata di energia; il trasferimento di calore  si ha quando esiste una differenza di temperatura ( dal corpo caldo al corpo più freddo).  In analogia con il lavoro anche il calore non è funzione di stato.
Il calore è una forma di energia che può essere misurata con il calorimetro e in base alla relazione:
Cp = q / DT                            e     Cp = m cs
Cioè il calore q si ricava dalla capacità termica Cp e dalla differenza di temperatura misurata
Secondo la “convenzione egoistica”
Q > 0  calore assorbito dal sistema
Q < 0   calore ceduto dal sistema

 

PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

I sistemi chimici si comportano spesso da sistemi aperti o al massimo chiusi.
Per es. la decomposizione di un pezzo di carbonato di calcio per riscaldamento porta allo scambio sia di calore che di materia (cioè sviluppo di un gas come la CO2) ; è quindi un sistema aperto.
Un altro esempio è la cellula che scambia continuamente energia  e materia con l’ambiente. Un’altra reazione, come lo zinco con solfato di rame che produce solfato di zinco e rame metallico, provoca solo scambio di energia  sottoforma di calore (sistema chiuso).
Invece in un sistema isolato non ci sono scambi.
Il PRIMO PRINCIPIO della TERMODINAMICA o principio di  conservazione dell’energia afferma che in un SISTEMA ISOLATO l’energia si mantiene costante anche se può convertirsi da una forma all’altra.

 

ENERGIA INTERNA

Qualunque trasformazione da uno stato ad un altro che comporti scambi di calore e lavoro è sempre accompagnata dalla variazione di ENERGIA INTERNA  U o E che è la somma di tutti i contributi di energia cinetica e energia potenziale delle particelle; queste grandezze non sono determinabili singolarmente quindi possiamo conoscere solo la variazione di energia interna di un sistema.

            E = Enuc + Etrasl + Erot + Evib + Eel

Per esempio se fornisco calore al sistema, questo comporta una variazione di energia interna ma può anche tradursi in lavoro che il sistema può compiere; allora per il primo principio la variazione di energia interna che subisce un sistema è calcolata mediante il bilancio energetico tra il calore scambiato e il lavoro compiuto

                        ovvero       DU = q – w  ( espressione più nota del I principio)

“ In un sistema isolato l’energia si mantiene costante anche se può convertirsi da una forma ad un’altra”

Spesso il lavoro compiuto dal sistema è associato ad una variazione di volume
Un gas che si espande per riscaldamento fa muovere il pistone e per fare ciò compie un lavoro

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Il lavoro viene calcolato  come  w = PDV
allora                         DU = q – P DV

Consideriamo per semplificare due tipi di trasformazione

  • TRASFORMAZIONI ISOCORE ( a Volume costante)

DV = 0    ( per es. se faccio avvenire una reazione in un recipiente chiuso e rigido )
allora     DU = q – 0 = qv
cioè la variazione di energia  Interna coincide con il calore scambiato.

  • TRASFORMAZIONI ISOBARE  e ENTALPIA( a pressione costante)

 

Le reazioni generalmente avvengono a pressione costante (es. recipiente aperto o con pistone mobile) e se c’è espansione di un gas ci sarà un lavoro di volume.
Occorre definire una nuova funzione di stato che tenga conto anche del lavoro di volume che il sistema compie o subisce durante una trasformazione a recipiente aperto : ENTALPIA H

         H = U + PV
DH = DU + P DV + VDP = q – P DV + P DV = qp

cioè la variazione di entalpia equivale al calore scambiato a pressione costante quando il lavoro è solo di volume. E ed H sono diverse solo per i gas perché nei liquidi e nei solidi le variazioni di volume sono trascurabili.
Se q<0      DH <0      reazione esotermica
Se il calore viene liberato significa che l’energia dei prodotti è minore di quella dei reagenti cioè  in termini di energia di legame avremo dei legami più forti nei prodotti
Se q >0     DH> 0      reazione endotermica
Se il calore viene assorbito significa che l’energia dei prodotti è maggiore di quella dei reagenti cioè  in termini di energia di legame avremo dei legami più forti nei reagenti.

Non è possibile conoscere il valore di H dei singoli reagenti o prodotti ma solo la variazione riferita ad una certa reazione.
Le trasformazioni a pressione costante rivestono una grande importanza anche in campo biologico: infatti il calore scambiato nei processi vitali coincide con la variazione del contenuto entalpico della cellula.

LEGGE DI HESS

 

Si definisce CALORE STANDARD DI FORMAZIONE  (DH°f) la quantità di calore ceduto o assorbito quando una mole di composto si forma dagli elementi nel loro stato standard che reagiscono in quantità stechiometriche.
Le condizioni standard sono:
T = 25 ° C       P = 1 atm        soluzioni 1 molari

Si definisce calore standard di reazione:

            DH°reaz = SDH°f (prod) - SDH°f (reag)

Secondo  la legge di HESS o di “additività dei calori di reazione”, poiché l’entalpia è una funzione di stato, posso ottenere la stessa variazione nel sistema seguendo percorsi diversi. Ciò significa che se due reazioni (1 e 2) comportano una variazione di entalpia DH1 e DH2, un’eventuale reazione 3 che corrispondesse alla somma di 1 e 2 avrebbe
DH3 = DH1 + DH2

E’ utile perché permette di ricavare in maniera indiretta i calori di reazioni difficile da ottenere sperimentalmente.

                       

 

Fonte: http://chimicaelab.altervista.org/download/tecnico_sanitario_chimica/ENTALPIA.doc

Sito web da visitare: http://chimicaelab.altervista.org

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