04x02 - Reazioni chimiche ed energia

Reazioni chimiche ed energia

La misura dell'energia

Il Sistema Internazionale ha definito per l'energia una sola unità di misura: il joule (J) o il kilojoule (kJ).
Per misurare il calore liberato o acquistato da un sistema a seguito di una trasformazione, si usano apposite apparecchiature chiamate calorimetri.

La misura dell'energia

La combustione avviene in un recipiente ermeticamente chiuso (A) nel quale il calore liberato scalda una quantità nota di acqua distillata (B) e il calorimetro stesso; il calore assorbito dall'acqua si calcola con la seguente espressione:



II calore specifico per l'acqua vale 4,184 J/(g • °C).

La misura dell'energia

Il calore specifico è una proprietà fisica dei materiali che indica la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una certa quantità di sostanza di una certa quantità di gradi Celsius.
II calore specifico per l'acqua vale 4,184 J/(g • °C) o 1,00 cal/(g • °C).
Ad esempio, l'acqua ha un calore
specifico relativamente alto rispetto
ad altri materiali, il che significa che
è in grado di assorbire una quantità
considerevole di calore senza subire
grandi variazioni di temperatura.

Reazioni chimiche e energia

Esistono numerose trasformazioni chimiche in cui alla diminuzione di energia chimica corrisponde la liberazione di altre forme di energia.

• Reazioni esoergoniche - sono reazioni chimiche che liberano energia quando avvengono.

• Reazioni endoergoniche - sono reazioni chimiche che per avvenire hanno bisogno di energia.

Reazioni chimiche e energia

Quando una sostanza si scioglie in un liquido la temperatura del sistema generalmente cambia. Prima della trasformazione le sostanze sono separate e l'energia del sistema corrisponde alla somma delle energie interne delle due sostanze.

Se la temperatura aumenta, una parte dell'energia chimica è stata convertita in energia termica. Si tratta di una reazione esotermica.

Dropdown

Nelle reazioni ​

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, una parte dell'energia ​

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si converte in energia ​

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, e la temperatura del sistema ​

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Nelle reazioni ​

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, una parte dell'energia ​

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si converte in energia ​

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, e la temperatura del sistema ​

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Passaggi di stato e energia

Durante i passaggi di stato endotermici in cui si fornisce calore al sistema (fusione, evaporazione, ebollizione, sublimazione), si ha un aumento dell'energia chimica del sistema.

Reazioni chimiche e energia

Le reazioni endotermiche sono le trasformazioni chimiche accompagnate

dall'aumento dell'energia chimica del sistema e dal contemporaneo assorbimento di calore.

Passaggi di stato e energia

Viceversa durante i passaggi di stato esotermici, in cui il sistema cede calore (brinamento, condensazione, solidificazione), si ha una diminuzione dell'energia chimica del sistema.

Reazioni chimiche e energia

Le reazioni esotermiche sono le trasformazioni chimiche con diminuzione dell'energia chimica

del sistema e contemporanea liberazione di calore.

Reazioni chimiche e energia

​Nello schema vengono messe in evidenza le conversioni energetiche che avvengono in un sistema isolato in caso di trasformazioni endotermiche ed esotermiche.

Multiple Choice

Quale diagramma rappresenta correttamente un cambiamento di stato endoenergetico?

• A

• B

• C

Multiple Choice

Quale diagramma rappresenta correttamente un cambiamento di stato esoenergetico?

• A

• B

• C

Multiple Choice

La combustione di metano è un processo:

• Endotermico

• Esotermico

Multiple Choice

La fusione del burro è un processo:

• Endotermico

• Esotermico

Multiple Choice

L'esplosione di un fuoco di artificio è un processo:

• Endotermico

• Esotermico

Multiple Choice

La condensazione del vapore è un processo:

• Endotermico

• Esotermico

Multiple Choice

La formazione di brina su un parabrezza è un processo:

• Endotermico

• Esotermico

Calcolo calore di dissoluzione

All'interno di un comune thermos, di cui si conosce la capacità termica, si mescolano quantità misurate di acqua e di sostanza da sciogliere e si misurano la temperatura iniziale dell'acqua e quella finale della soluzione ottenuta.

​In una prova eseguita con NaOH con percentuale di purezza 98,0% si sono ottenuti i seguenti dati:

Calcolo calore di dissoluzione

La capacità termica, in fisica, si riferisce alla quantità di calore che un materiale può assorbire o rilasciare per unità di variazione di temperatura. Essenzialmente, rappresenta la capacità di un materiale di immagazzinare energia termica.

Calcolo calore di dissoluzione

Per approssimazione, consideriamo il calore specifico della soluzione uguale a quello dell'acqua: c = 4,184 J/(g⋅°C).
II calore sviluppato dalla dissoluzione è pari alla somma del calore assorbito dal sistema e dal thermos:

1. q = q_sistema + q_thermos = [(m₁ + m₂) ⋅ c ⋅ Δt] + [C_T ⋅ Δt]

2. q = [(100,45 g + 7,20 g) ⋅ 4,184 J/(g⋅°C) ⋅ (36,8 °C - 20,9 °C)] + 76 J/°C ⋅ (36,8 °C - 20,9 °C)

3. q = 8.370 J = 8,37 kJ

4. m_NaOH = 7,20 g ⋅ 98% = 7,06 g

Calcolo calore di dissoluzione

II calore sviluppato dalla dissoluzione è pari alla somma del calore assorbito dal sistema e dal thermos:

q = q_sistema + q_thermos = [(m₁ + m₂) ⋅ c ⋅ Δt] + [C_T ⋅ Δt]
Δt = 36,8 °C - 20,9 °C = 15,9 °C

Calcolo calore di dissoluzione

Per approssimazione, consideriamo il calore specifico della soluzione uguale a quello dell'acqua: c = 4,184 J/(°C⋅g) II calcolo è quindi:

1. q = q_sistema + q_thermos = [(m₁ + m₂) ⋅ c ⋅ Δt] + [C_T ⋅ Δt]

2. q = [(100,45 g + 7,20 g) ⋅ 4,184 J/(°C⋅g) ⋅ (15,9 °C)] + 76 J/°C ⋅ (15,9 °C)

3. q = 8.370 J = 8,37 kJ

4. m_NaOH = 7,20 g ⋅ 98% = 7,06 g

Calcolo calore di dissoluzione

II calore di dissoluzione viene convenzionalmente riferito a una

quantità unitaria di sostanza disciolta, per esempio 1 kg.

Per prima cosa nel calcolo occorre tenere conto della percentuale di purezza:

m_NaOH = 7,20 g ⋅ 98% = 7,06 g

Calcolo calore di dissoluzione

Infine, il calore di dissoluzione del sistema considerato si ottiene impostando una semplice proporzione:

8,37 kJ : 7,06 ⋅ 10^-3 kg = x : 1 kg
x = 8,37 kJ : 7,06 ⋅ 10^-3 kg = 1,19 ⋅ 10³ kJ/kg