Sistemi aperti, chiusi, isolati
Le reazioni chimiche possono avvenire in ambienti o sistemi aperti, chiusi e isolati.
Un sistema aperto se i prodotti e il calore possono uscire nell’ambiente, oppure se nuovi reagenti e calore possono passare dall’ambiente al sistema.
Un sistema aperto è il corpo umano che si alimenta, svolge un lavoro, libera calore.
Un sistema chiuso è una bottiglia d’acqua chiusa, l’acqua non entra e non esce, ma assorbe o perde calore.
Un sistema ancora più chiuso è il sistema isolato o adiabatico, in cui non c’è neanche lo scambio di calore: il thermos del tè caldo. Es.
In un sistema isolato sia nelle reazioni esotermiche che nelle reazioni endotermiche l’energia totale è invariata.
Energia del sistema U
In un sistema chiuso esiste energia potenziale ed energia cinetica, l’energia potenziale è nei legami chimici forti e deboli, mentre l’energia cinetica nel movimento degli atomi e molecole, che poi è espressione del calore del sistema.
La somma di energia potenziale e cinetica è l’energia interna del sistema.
Se il sistema è isolato l’energia interna del sistema è costante: U.
Durante una reazione chimica l’energia di sistema U cambia.
La differenza di U è data dall’energia U dei prodotti meno l’energia U dei reagenti.
delta U = ΔU = U prodotti – U reagenti
ΔU si può anche esprimere come il calore di reazione Q + il lavoro L
Cos’è sto lavoro L ? Sono i nuovi legami dei nuovi prodotti.
ΔU = Q + L
Calore di reazione Q
Tuttavia nella maggior parte delle reazioni chimiche c’è uno scambio di calore tra sistema e ambiente, che prende il calore di reazione: Q.
Q = m x c x delta T
massa del campione in grammi, calore specifico del campione ( J / °C x grammi), differenza di temperatura in °Kelvin prima della reazione e dopo la reazione.
La quantità di calore scambiata, a parità di massa, dipende solo dal salto di temperatura ottenuto, cioè il delta T.
Esercizio sul calore di reazione
A seguito di una reazione chimica 100 grammi di acqua sono passati da 24°C a 25°C, sapendo che il calore specifico dell’acqua a 25°C a 1 atm è 4186 J/(Kg x °C), calcola la differenza di calore
Q = m x c x delta T = 100 x 4,186 x (24-25) = – 418,6
Se il sistema libera calore, quindi reazione esotermica, Q sarà negativo, i prodotti hanno una energia chimica minore dei reagenti, l’energia in meno è il calore.
Se il sistema assorbe calore dall’ambiente, quindi reazione endotermica, Q sarà positivo, viceversa per il resto.
Calcolo l’energia necessaria per portare il ghiaccio da -30°C a ad acqua a +20°C in J
Il ghiaccio per sciogliersi ecc… ha sottratto l’energia necessaria alla piscina:
Q1) Bisogna calcolare il passaggio del ghiaccio da -20° a 0°C, perciò si usa il Cs (calore specifico) del ghiaccio: 2200 J/K, Q1= m x Cs ghiaccio x (Tfus – Tiniz) = 2 x 2200 x (0- -30) = 132.000 J (in azzurro).
Q2) poi calcolare il calore latente dei 2 kg di ghiaccio per sciogliersi completamente, perciò si usa landa (calore latente di fusione) del ghiaccio: 334 kJ/kg, Q2 = 2 X 334.000 = 668.000 J (in rosso).
Q3) infine il calore per portare i 2 kg di acqua appena sciolta da 0 a 20°C, perciò si usa il Cs dell’acqua: 4186 J/K, Q3= m x Cs acqua X (Tfin – Tfus) = 2 x 4186 x (20 – 0) = 167.440 J (in arancione).
Il calore totale è Q tot = Q1 + Q2 + Q3 = 132.000 + 668.000 + 167.440 =
quindi il calore di reazione Q = 967.440 J
Il calore totale 967.440 J è l’energia sottratta alla piscina.