I FATTORI CHE GOVERNANO LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE - SCAMBI DI ENERGIA NELLE REAZIONI CHIMICHE, SPONTANEITÀ DELLE REAZIONI CHIMICHE

I FATTORI CHE GOVERNANO LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE

Le reazioni chimiche sono sempre accomnate da scambi di energia con l'ambiente esterno

Si definisce calore di reazione Q la quantità di calore che si deve fornire o sottrarre a un sistema nel corso di una reazione, affinché i prodotti di reazione si trovino alla stessa temperatura alla quale si trovavano inizialmente i reagenti

Da un punto di vista energetico le reazioni si dividono in:

esotermiche Þ viene ceduta energia all'ambiente esterno

endotermica Þ per avvenire hanno bisogno che gli venga fornita energia dall'esterno

R P

E E

P R

Reazione esotermica Reazione endotermica

L'equazione chimica sottostà, oltre alla legge di conservazione della massa, anche a quella della conservazione dell'energia

Il valore numerico del calore di reazione Q che e in un'equazione chimica è preceduto da:

segno positivo (+) se la reazione è esotermica

segno negativo (-) se la reazione è endotermica

La tonalità termica di una reazione è sempre la stessa, qualunque siano gli stati intermedi attraverso i quali passa il sistema (legge di Hess)

ESEMPI

Reazione esotermica Þ respirazione cellulare (nei mitocondri)

C₆H₁₂O₆ (glucosio) + O₂ Þ CO₂ + H₂O + E(ATP)

Reazione endotermica Þ fotosintesi clorofilliana (nei cloroplasti)

CO₂ + H₂O +E Þ C₆H₁₂O₆ + O₂

Anche quando si scioglie una sostanza in un solvente si possono verificare scambi di energia con l'ambiente esterno. Si definisce calore di soluzione il calore assorbito o sviluppato nel processo di soluzione, riferito a una mole di soluto

Spontaneo è un fenomeno che per avvenire non ha bisogno di ricevere energia dall'esterno. Esempi sono la caduta dell'acqua dalle cascate, il passaggio di calore, la formazione della ruggine .

I processi che si verificano spontaneamente in una direzione non possono verificarsi spontaneamente nella direzione opposta

Nelle trasformazioni chimiche spontanee le sostanze che si trovano in condizioni di instabilità, da un punto di vista energetico, tendono a trasformarsi per raggiungere una condizione di stabilità

Quando si parla di una reazione spontanea non è importante la velocità con cui avviene una reazione, ma il fatto che, a partire da determinati reagenti, si arrivi a determinati prodotti di reazione

I fattori che determinano la spontaneità di una reazione sono due:

fattore energetico Þ connesso alla diminuzione del contenuto di energia dei prodotti di reazione rispetto a quello dei reagenti (favorite le reazioni esotermiche)

fattore probabilistico Þ è più favorevole il disordine rispetto all'ordine

In un sistema costituito da oggetti differenti è molto più probabile realizzare uno stato disordinato anziché uno stato ordinato; tale probabilità aumenta con l'aumentare del numero degli oggetti che compongono il sistema

I tre stati di aggregazione della materia sono caratterizzati da un differente grado di disordine:

solidi Þ le particelle occupano posizioni ben definite; essi rappresentano dei sistemi altamente ordinati

aeriformi Þ le particelle si muovono liberamente e si scontrano; il moto che ne risulta è estremamente irregolare; essi rappresentano un sistema completamente disordinato

liquidi Þ rappresentano una situazione di disordine intermedia fra quelle caratteristiche dello stato solido e dello stato aeriforme

Il passaggio della materia da uno stato all'altro è sempre accomnato dal passaggio da uno stato di ordine ad uno stato più disordinato

Nelle reazioni endotermiche il grado di disordine del sistema aumenta, mentre quello dell'ambiente esterno diminuisce. Nelle reazioni esotermiche avviene il contrario

In una reazione le sostanze si trasformano in sostanze differenti

Ogni molecola è caratterizzata da un certo grado di ordine, perché nella sua struttura gli atomi occupano posizioni ben definite

Ciascun stato di aggregazione è a sua volta caratterizzato da un suo particolare grado di ordine

Sia i reagenti che i prodotti sono allo stato aeriforme, perché così c'è solo una variazione del numero di molecole

Se in una reazione chimica le molecole dei prodotti sono di più di quelle dei reagenti (quelle dei reagenti si scindono e si formano delle molecole più piccole), aumenta il disordine complessivo del sistema

il fattore probabilistico è favorevole alla reazione

Nella reazioni in cui il numero delle molecole diminuisce (delle molecole piccole si uniscono per formarne di più grandi), diminuisce il disordine

il fattore probabilistico è sfavorevole alla reazione

Se nel corso di una reazione, a partire da reagenti allo stato solido oppure liquido, si formano prodotti allo stato aeriforme, il grado di disordine del sistema aumenta

Secondo il criterio del massimo disordine, una reazione è favorevole quando, nel passaggio dai reagenti ai prodotti, il disordine aumenta (quando aumenta il numero delle molecole allo stato gassoso)

Quando il numero delle molecole allo stato gassoso non cambia, il fattore probabilistico ha scarsa importanza, mentre è prevalente il fattore energetico

R. ESO; DIS > 0 Þ entrambi i fattori favorevoli

reazione spontanea

Esempio: 4C₃H₅(NO₃)₃(l) (nitroglicerina) Þ 12CO₂(g) + 10H₂O(g) + 6N₂(g) + O₂(g) + Q

R. ENDO; DIS < 0 Þ entrambi i fattori sfavorevoli

reazione non spontanea, ma fattibile

Esempio: CO(g) Þ 1/2O₂(g) + C(s) - Q

R. ESO; DIS < 0 Þ il fattore energetico è favorevole, il fattore probabilistico è sfavorevole

reazione spontanea, se la quantità di energia che si libera nella reazione è molto elevata, tanto che il fattore probabilistico diventa irrilevante

se la quantità di energia sprigionata non è così rilevante, il fattore energetico e probabilistico sono in competizione. La reazione in questo caso è spontanea se avviene a temperatura ambiente (25°Cca)

Esempio: 2H₂(g) + O₂(g) Þ 2H₂O(l) + Q

R. ENDO; DIS > 0 Þ il fattore energetico è sfavorevole, il fattore probabilistico è favorevole

reazione spontanea solo se avviene a temperature elevate, dove il fattore probabilistico prevale su quello energetico

nel caso che non si sia a temperature elevate, la reazione avviene solo se si somministra energia

Esempio: 2H₂O(l) Þ 2H₂(g) + O₂(g) - Q