Alcune reazioni chimiche rilasciano energia sotto forma di calore. Anche i processi fisici coinvolgono energia. Per esempio, quando il ghiaccio si scioglie, richiede energia per passare dallo stato solido a quello liquido. La termodinamica si occupa dei cambiamenti di energia coinvolti nei processi fisici e chimici. Nella termodinamica chimica, ci concentriamo in particolare sulla termodinamica dei sistemi chimici.
- Definiamo la termodinamica chimica prima di esplorare le sue leggi principali.
- In seguito, esamineremo le applicazioni della termodinamica chimica.
- Infine, considereremo l'importanza e i limiti della termodinamica chimica.
Termodinamica chimica
La termodinamica chimica è lo studio dell'energia termica (calore) nei processi chimici e fisici, come le reazioni chimiche e i cambiamenti di stato. Si occupa del modo in cui l'energia termica si converte in altri tipi di energia e di come questo influenza le proprietà di un sistema.
Approfondiamo questo argomento.
Energia
Per comprendere la termodinamica, dobbiamo parlare di energia. Che cos'è l'energia? Gli scienziati fanno fatica a definirla formalmente ma ecco una semplice definizione:
L'energia è la capacità di trasferire calore o compiere lavoro.
In chimica, si parla di lavoro (w o W) quando una forza agisce su qualcosa per farla muovere. Quindi, se non c'è movimento, non si compie alcun lavoro. Per calore (q o Q) si intende il trasferimento di energia attraverso interazioni termiche come la radiazione o la conduzione.
Tutto nell'universo è costituito da energia. Ciò significa che ogni cosa ha la possibilità di compiere lavoro o trasferire calore. Si distinguono due tipologie di energia che possono essere convertite da una all'altra:
- Energia cinetica: energia che un oggetto possiede grazie al suo movimento.
- Energia potenziale: energia che un oggetto possiede grazie alla sua posizione relativa, rispetto ad altri oggetti.
Tutte le forme di energia rientrano in queste due categorie. Ad esempio, l'energia termica è una forma di energia cinetica. Tuttavia, come tutte le energie, può essere convertita in altre forme, come l'energia chimica o l'energia elettrica.
Sistemi
Dobbiamo prendere in considerazione i sistemi. In termodinamica, per semplificare i calcoli, immaginiamo di dividere l'universo in due parti:
- Un sistema è una sostanza o un insieme di sostanze ed energia. I sistemi possono essere aperti, chiusi o isolati e questo determina la possibilità di scambiare energia o materia tra loro.
- L'ambiente circostante è tutto ciò che non fa parte del sistema.
Ad esempio, se una reazione avviene in un contenitore, il contenitore è il sistema. Tutto ciò che è fuori dal vaso è l'ambiente circostante.
Figura 1. Un sistema e il suo ambiente circostante.
In sintesi, la termodinamica studia come l'energia termica viene convertita in altri tipi di energia all'interno di ambienti specifici chiamati sistemi. Nella termodinamica chimica, ci concentriamo in particolare sul modo in cui l'energia termica si trasforma in energia chimica e su come questo influisce sulle reazioni chimiche o sui cambiamenti di stato.
Leggi della termodinamica chimica
La termodinamica chimica si basa sulle quattro leggi della termodinamica. Questi quattro principi fondamentali, scoperti da scienziati come Isaac Newton e James Joule, ci aiutano a capire come si muove l'energia e regolano lo studio della termodinamica. In questo articolo prenderemo in considerazione soltanto la prima e la seconda legge.
Prima legge della termodinamica
In precedenza, hai conosciuto la legge di conservazione dell'energia. Questa legge afferma che:
"L'energia non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra".
La prima legge della termodinamica si basa sulla conservazione dell'energia. Tuttavia, aggiungiamo un'altra informazione:
"La quantità totale di energia nell'universo è costante".
La quantità totale di energia in un particolare sistema è chiamata entalpia.
L'entalpia (H) è una misura dell'energia termica di un sistema chimico. Viene tipicamente misurata in kJ mol-1.
L'energia può cambiare all'interno di un sistema da una forma all'altra. Può anche essere trasferita dal sistema all'ambiente circostante. Tuttavia, la quantità totale di energia nell'intero universo rimane sempre la stessa.
Per gli esempi di entalpia nelle reazioni chimiche, consultare la sezione Variazioni di entalpia.
Seconda legge della termodinamica
La prima legge della termodinamica ci dice che l'energia non può essere creata o distrutta e spiega molti processi quotidiani, come ad esempio il modo in cui la corrente elettrica alimenta una lampadina o il glucosio che ci fornisce energia per compiere i nostri movimenti. Tuttavia, anche se l'energia può essere riutilizzata, non sempre viene usata in modo efficiente. In effetti, gran parte di essa si disperde. Ciò contribuisce a spiegare alcuni dei fenomeni più casuali che vediamo nell'universo che ci circonda e costituisce la base della seconda legge della termodinamica:
"Non tutta l'energia termica viene convertita in energia utile".
Ma dove va a finire questa energia? Contribuisce a ciò che definiamo entropia.
L'entropia (S) è una misura del disordine di un sistema. Maggiore è il disordine, più alta è l'entropia. Si misura in
J K-1 mol-1.
Questo ci porta alla parte successiva della seconda legge della termodinamica:
"Nei cambiamenti spontanei, l'universo tende ad uno stato di maggiore entropia" .
La seconda legge della termodinamica ci dice che l'energia nei sistemi naturali tende a muoversi nella direzione di un aumento dell'entropia, ovvero di un maggiore disordine. Spiega perché l'energia si muove in una direzione e non nell'altra. Esempi di aumento dell'entropia sono la dissoluzione dei solidi o la miscelazione dei gas.
Applicazioni della termodinamica chimica
Abbiamo imparato a conoscere due delle leggi della termodinamica. Vediamo ora come si applicano ai processi chimici del mondo reale.
Reazioni spontanee
Possiamo combinare i principi esplorati nelle prime due leggi della termodinamica, entalpia ed entropia, per prevedere se le reazioni sono spontanee o meno.
Le reazioni spontanee sono reazioni che avvengono senza interventi esterni, come l'immissione di energia. Sono anche chiamate reazioni realizzabili.
Esempi di reazioni spontanee sono la dissoluzione dei sali, l'arrugginimento del ferro o lo scioglimento del ghiaccio.
Figura 2. Arruginimento del ferro. Un esempio di reazione spontanea. Fonte: commons.wikimedia.org
Per determinare se una reazione è spontanea o meno, utilizziamo una quantità chiamata Energia libera di Gibbs (ΔG). Essa mette in relazione l'entalpia e l'entropia con la seguente equazione:
ΔG = ΔH - TΔS
Nota quanto segue:
- ΔG è la variazione dell'energia libera di Gibbs, misurata in kJ mol-1.
- ΔH è la variazione di entalpia, misurata in kJ mol-1.
- T è la temperatura, misurata in K.
- ΔS è la variazione dell'entropia, misurata in kJ K-1 mol-1.
L'entropia viene tipicamente misurata in J K-1 mol-1. Assicurarsi di convertirla in kJ K-1 mol-1 dividendola per 1000.
Se ΔG è negativo, la reazione è spontanea. Da questa equazione si può dedurre che le reazioni altamente esotermiche o con un forte aumento di entropia tendono a essere spontanee.
Ciclo di Born-Haber
È possibile che abbiate già scoperto La legge di Hess nel corso del vostro viaggio alla scoperta della chimica.
La legge di Hess afferma che la variazione di entalpia di una reazione è sempre la stessa, indipendentemente dal percorso seguito.
Finché si inizia con gli stessi reagenti e si finisce con gli stessi prodotti, la variazione di entalpia è la stessa. Non importa se lo si fa in una fase, in due fasi o in quindici fasi.
Figura 3. Ciclo di Hess
Esprimiamo la legge di Hess con la seguente equazione:
ΔHr = ΔH1 + ΔH2
dove:
- ΔHr è la variazione entalpica della reazione per via diretta.
- ΔH1 e ΔH2 sono variazioni entalpiche coinvolte nel percorso indiretto.
La variazione di entalpia è tipicamente misurata in kJ mol-1, ma a condizione di mantenere tutte le unità di misura coerenti, è possibile utilizzare J mol-1 nei calcoli.
Un'applicazione importante della legge di Hess è il calcolo dell'entalpia reticolare.
L'entalpia reticolare (ΔERH°), nota anche come entalpia di formazione del reticolo, è la variazione di entalpia quando una mole di un reticolo ionico si forma dai suoi ioni gassosi in condizioni standard.
Il ciclo di Born-Haber (spesso scritto senza trattino) è un modello teorico basato sulla legge di Hess che utilizziamo per calcolare l'entalpia reticolare.
Il principio è lo stesso che utilizziamo nei cicli della legge di Hess: Se creiamo un percorso indiretto per raggiungere gli ioni gassosi, possiamo usare l'equazione della legge di Hess per trovare l'entalpia reticolare. Ad esempio, potremmo non conoscere la via diretta per l'entalpia reticolare. Tuttavia, possiamo calcolarla utilizzando un percorso indiretto che include le variazioni di entalpia che conosciamo. Ecco una panoramica del funzionamento dei cicli:
Prendiamo una reazione di cui vogliamo trovare la variazione entalpica e creiamo un percorso indiretto che inizia con gli stessi reagenti e termina con gli stessi prodotti. In questo caso, vogliamo trovare l'entalpia di formazione del reticolo.
Rappresentiamo ogni punto del percorso diretto e indiretto come una linea che indica la sua entalpia.
La differenza di altezza tra le linee rappresenta la variazione di entalpia tra questi punti.
Scriviamo le variazioni di entalpiche note del percorso indiretto e le usiamo per calcolare la variazione entalpica sconosciuta del percorso diretto.
Ecco un esempio. Non preoccuparti se ti sembra un po' confuso: esamineremo ogni termine in modo più dettagliato in Cicli di Born-Haber. Potrete anche esercitarvi a usare i cicli di Born-Haber in Calcoli dei cicli di Born Haber.
Figura 4. Ciclo di Born-Haber per l'entalpia reticolare del fluoruro di litio, LiF.
Importanza della termodinamica chimica
Vediamo ora l'importanza della termodinamica chimica. Ecco alcuni dei suoi vantaggi:
- È un campo scientifico essenziale perché spiega come e perché avvengono molte reazioni quotidiane.
- Ci permette di calcolare le variazioni di entalpia sconosciute e di prevedere se una reazione avverrà o meno.
- La termodinamica ci permette anche di ottimizzare i processi chimici e di migliorare l'efficienza del trasferimento di energia. Ad esempio, può aiutarci a risparmiare sulla bolletta energetica e a ridurre i costi delle reazioni industriali.
- La termodinamica spiega perché le reazioni raggiungono l'equilibrio chimico.
Limiti della termodinamica chimica
Infine, consideriamo i limiti della termodinamica chimica:
- Non dà informazioni sulla velocità di una reazione o su quanto tempo la reazione impiega per completarsi.
- Si occupa dei sistemi nel loro complesso e non ci dà alcuna informazione sulle singole particelle al loro interno.
Questo è il termine di questo articolo. Ora dovresti aver capito cosa si intende con il termine termodinamica chimica e come l'entalpia e l'entropia si riferiscono alle sue prime due leggi. Dovresti anche sapere quali sono alcune delle applicazioni della termodinamica, come il calcolo delle variazioni di entalpia e la previsione della fattibilità delle reazioni, e sapere perché la termodinamica è un campo scientifico utile. Infine, dovresti essere in grado di considerare perché la termodinamica ha dei limiti.
Termodinamica chimica - Punti chiave
- La termodinamica chimica è lo studio dell'energia termica (calore) nei processi chimici e fisici, come le reazioni chimiche e i cambiamenti di stato. Si occupa di come l'energia termica si converte in altri tipi di energia e di come questo influisce sulle proprietà di un sistema.
- Entalpia (H) è una misura dell'energia termica in un sistema chimico.
- Entropia (S) è una misura del disordine di un sistema.
- Le leggi della termodinamica si basano sull'entalpia e sull'entropia e determinano le reazioni nel mondo che ci circonda:
- La prima legge della termodinamica afferma che l'energia non può essere creata o distrutta e che quindi l'energia totale dell'universo rimane costante.
- La seconda legge della termodinamica afferma che nei cambiamenti spontanei l'universo tende a uno stato di maggiore entropia.
- La termodinamica chimica ha diverse applicazioni:
- Il ciclo di Born-Haber è un modello teorico che utilizziamo per calcolare l'entalpia reticolare. Il principio è lo stesso della legge di Hess. Se creiamo un percorso indiretto verso gli ioni gassosi, possiamo usare l'equazione della legge di Hess per trovare l'entalpia reticolare.
- Energia libera di Gibbs (ΔG) mette in relazione l'entalpia e l'entropia e permette di prevedere se una reazione è spontanea o meno.
- Come tutti i campi della scienza, la termodinamica chimica ha vantaggi e svantaggi.
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