Chimica fisica: introduzione

La chimica fisica è una branca della chimica che studia le variazioni di energia che si verificano durante le trasformazioni fisiche e chimiche

Quando si ipotizza una reazione chimica essa va considerata sotto due aspetti: quello termodinamico e quello cinetico. L’aspetto termodinamico ci indica se in determinate condizioni sperimentali la reazione può avvenire o meno spontaneamente. Quello cinetico ci dà conto della velocità della reazione stessa ovvero dei fattori che influiscono sul tempo affinché la reazione avvenga. La termodinamica che è una delle parti più importanti della chimica fisica considera l’aspetto energetico delle reazioni confrontando l’energia dei reagenti e quella dei prodotti di reazione fornendo la chiave per prevedere la spontaneità della reazione. La chimica fisica costituisce un approccio di base a tutte le arre della chimica.

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Sistemi, Stati ed Energia.

Per affrontare gli aspetti termodinamici è necessario considerare le relazioni tra due forme di energia: il calore e il lavoro . Il calore può essere definito come energia che si trasmette spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo facendo aumentare la temperatura di quest’ultimo. Il lavoro può essere definito come uno dei modi con cui, durante una trasformazione, il sistema e l’ambiente si scambiano energia. Un sistema termodinamico è costituito da una o più sostanze che reagiscono (sistema chimico) oppure che possono essere chimicamente inerti (sistema fisico).

I Sistemi

L’ambiente esterno al sistema è identificabile con tutti i corpi materiali ad immediato contatto con esso e che possono scambiare energia, oppure materia , oppure ambedue con il sistema stesso.

I sistemi possono essere aperti, chiusi o isolati .

Un sistema aperto è in grado di scambiare con il proprio ambiente sia materia che energia (ad esempio il motore di un’automobile), uno chiuso comprende una quantità costante di materia che può scambiare energia con l’ambiente (ad esempio i pacchetti refrigeranti).

Un sistema isolato non ha alcun contatto con l’ambiente esterno non potendo scambiare né calore, né materia (ad esempio un liquido contenuto in un thermos).

Equivalenza tra lavoro e calore

J. Joule dimostrò per primo l’equivalenza tra il calore (energia termica) e le altre forme di energia. Le successive esperienze condussero al seguente risultato che esprime l’equivalenza tra calore e lavoro: 1 cal = 4.184 J, essendo la caloria la quantità di calore che bisogna somministrare a un grammo di acqua per portare la sua temperatura da 14.5 °C a 15.5 °C.

Consideriamo un gas contenuto in un cilindro munito di pistone: se ad un certo istante il gas viene compresso il sistema riceve lavoro dall’esterno (- L) . Se invece ad un altro istante il gas si espande , il sistema compie lavoro sull’esterno (+ L) . Così pure , se ad un dato istante il gas si riscalda , il sistema riceve calore dall’esterno, il sistema riceve calore dall’esterno (+ Q) , se invece ad un altro istante si raffredda, il sistema cede calore (- Q).

Se ad un sistema chimico a massa costante facciamo subire una qualsiasi trasformazione aperta, la somma degli scambi termici complessivi non coincide con la somma degli scambi dinamici complessivi ovvero

Q – L ≠ 0

Energia interna

Poiché Q e L non sono altro che forme di energia con le quali si è  tenuto conto di tutti gli scambi energetici effettuati dal sistema si può dedurre che in una trasformazione aperta la differenza tra queste due forme di energia essendo diversa da zero, deve necessariamente coinvolgere la variazione di una certa energia posseduta dal sistema stesso ovvero:

Q – L = ΔU  che costituisce la formulazione matematica del Primo principio della termodinamica applicabile alle trasformazioni aperte (non cicliche )

In tale equazione compare  U che rappresenta  l’energia interna del sistema.

Per energia interna del sistema si intende la somma dell’ energia cinetica e potenziale associate alle particelle di cui detto sistema è costituito.

L’energia interna e data da:

1) Energia cinetica : associata alla traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole e al moto degli elettroni;

2) Energia potenziale: energia associata alla posizione di ciascuna particella in conseguenza delle interazioni internucleari, intermolecolari, interelettroniche e nucleo – elettroniche.