Sistemi aperti, chiusi, isolati

Le reazioni chimiche avvengono in ambienti o sistemi che possono essere: aperti, chiusi o isolati.

La reazione chimica inizia con dei reagenti che si trasformano in prodotti con la possibilità di liberare o meno calore.

Quando si libera calore parliamo di reazioni esotermiche, quando si sottrae calore si parla di reazioni endotermiche.

In un sistema aperto i prodotti di reazione e il calore possono uscire nell’ambiente,

In un sistema aperto i nuovi reagenti e il calore possono entrare nel sistema.

Un sistema aperto è il corpo umano che si alimenta dall’esterno,  svolge un lavoro,  libera calore all’esterno.

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: Es. il thermos del tè caldo.

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 è nel movimento degli atomi e molecole, l’energia cinetica 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, è 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 4,186 J/(g 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 innalzare la temperatura di un blocco di ghiaccio:

Prendo un blocco di 2 kg di ghiaccio e lo metto in piscina, il blocco si scioglie. Da chi prende il calore ? Prende il calore, cioè energia, dall’acqua della piscina.

Nell’esercizio 2 kg di ghiaccio hanno una temperatura di -30°C, mentre l’acqua della piscina ha una temperatura di +20°C.

Q1) Bisogna calcolare il passaggio del ghiaccio da -30° a 0°C, perciò si usa il Cs (calore specifico) del ghiaccio: 2.200 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: 334.000 J/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 (calore specifico) dell’acqua: 4.186 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.

Calore specifico Entalpia ed Entropia