Termodinamica e reazioni chimiche

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L'entalpia è una grandezza termodinamica fondamentale per studiare le reazioni chimiche, indicando il contenuto energetico di un sistema a pressione costante. La sua variazione, misurata tramite calorimetri, riflette il calore scambiato e può essere calcolata con la legge di Hess. L'entropia, misura del disordine, è anch'essa cruciale per comprendere i processi spontanei e l'evoluzione dei sistemi fisici.

Riassunto

Schema

Definizione e Misurazione dell'Entalpia

L'entalpia (H) è una grandezza termodinamica che rappresenta il contenuto energetico totale di un sistema chimico a pressione costante. È particolarmente utile per analizzare le reazioni chimiche che avvengono in condizioni di laboratorio, dove la pressione rimane generalmente invariata. L'entalpia è definita come la somma dell'energia interna (U) e del prodotto della pressione (P) per il volume (V) del sistema: H = U + PV. Durante una trasformazione isobara, ovvero a pressione costante, la variazione di entalpia (ΔH) corrisponde al calore scambiato con l'ambiente (q), a meno che non ci siano altri tipi di lavoro oltre a quello di espansione. Per misurare le variazioni di entalpia, si utilizzano calorimetri che possono operare sia a volume che a pressione costante, a seconda che si voglia determinare rispettivamente la variazione di energia interna o di entalpia.

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Variazioni di Entalpia nelle Reazioni Chimiche

Le reazioni chimiche si accompagnano a variazioni di entalpia che possono essere esotermiche, con rilascio di calore (ΔH < 0), o endotermiche, con assorbimento di calore (ΔH > 0). Ad esempio, in una reazione esotermica come A + B → AB, se viene liberato calore pari a 100 kJ per mole di prodotto, si ha una diminuzione dell'entalpia di 100 kJ. L'entalpia standard di formazione (ΔHºf) è il calore scambiato quando una mole di composto viene formata dai suoi elementi nello stato standard, che per convenzione è 1 bar di pressione e una temperatura di 25°C (298 K). Per gli elementi puri nello stato standard, l'entalpia standard di formazione è definita come zero.

Legge di Hess e Calcolo dell'Entalpia di Reazione

La legge di Hess sfrutta la proprietà dell'entalpia di essere una funzione di stato per calcolare l'entalpia di reazione di processi che avvengono in più stadi. Secondo questa legge, l'entalpia di una reazione chimica complessiva è uguale alla somma delle variazioni di entalpia delle reazioni intermedie, indipendentemente dal percorso seguito. Per esempio, l'entalpia di formazione del propano può essere determinata sommando le entalpie di combustione del carbonio e dell'idrogeno e sottraendo l'entalpia di combustione del propano, con l'aggiunta di invertire il segno poiché il propano è un prodotto nella reazione di formazione.

Entropia e Secondo Principio della Termodinamica

L'entropia (S) è una misura del disordine o della casualità di un sistema e, secondo il secondo principio della termodinamica, tende ad aumentare nei processi spontanei all'interno di un sistema isolato. Questo principio è alla base di fenomeni naturali come il trasferimento di calore da corpi caldi a corpi freddi e l'espansione dei gas. L'entropia può essere calcolata per processi reversibili come S = q_rev/T, dove q_rev è il calore scambiato in modo reversibile e T è la temperatura assoluta in Kelvin. Ludwig Boltzmann ha fornito un'interpretazione statistica dell'entropia, esprimendola come S = k ln W, dove k è la costante di Boltzmann e W è il numero di microstati possibili che corrispondono a una data macrostato energetico del sistema.

Fattori che Influenzano l'Entropia

L'entropia di un sistema è influenzata da vari fattori, quali il volume occupato da un gas, la temperatura, lo stato fisico della materia e il numero di particelle coinvolte in una reazione chimica. Ad esempio, l'entropia aumenta quando un gas si espande, quando la temperatura di un sistema si eleva, durante il passaggio di stato da solido a liquido o a gas, e quando una reazione chimica produce un numero maggiore di molecole gassose rispetto ai reagenti. Questi cambiamenti riflettono un incremento del disordine e della casualità nel sistema, in linea con il concetto termodinamico di entropia.

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