Energia chimica

Che cos'è l'energetica in chimica?

L'energetica fa parte di un campo più ampio della chimica chiamato termodinamica o termochimica. Si occupa dei cambiamenti di energia che avvengono in una reazione chimica, mentre la termodinamica si occupa di come questi cambiamenti di energia influenzano le proprietà di un sistema chimico.

Le leggi della termodinamica ci aiutano a capire come si comporta l'energia. Le leggi della termodinamica sono quattro, ma in questo articolo prenderemo in considerazione solo la prima:

Prima legge della termodinamica: "L'energia non può essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma all'altra".

L'energia esiste in diverse forme che si convertono da una all'altra. Per saperne di più sui diversi tipi di energia, consultare la sezione Termodinamica. Nell'energetica chimica, tuttavia, ci interessano solo due forme di energia:

• Energia chimica, immagazzinata nei legami tra gli atomi.
• Energia termica, rilasciata o assorbita quando i legami vengono spezzati o creati.

L'energia chimica immagazzinata nei legami tra gli atomi spesso si converte in energia termica che viene rilasciata quando avviene un processo chimico. Una reazione assorbe anche energia termica dall'ambiente circostante per inebriare i legami nei composti. Il bilancio complessivo dell'assorbimento e dell'evoluzione dell'energia termica in una reazione chimica ci dice se il processo chimico è endotermico o esotermico.

Che cosa sono le reazioni endotermiche ed esotermiche?

La rottura dei legami richiede energia sotto forma di calore. Ciò significa che l'energia termica viene assorbita o presa dall'ambiente circostante quando si rompono i legami. Al contrario, la formazione di legami rilascia energia termica. Quando in una reazione chimica si rompono più legami rispetto a quelli che si formano, si verifica un assorbimento complessivo di energia. Questo tipo di reazione viene definito endotermico. D'altra parte, quando si formano più legami di quelli che si rompono, si ha un rilascio complessivo di energia. Questo tipo di reazione viene definito esotermico.

Per chiarire, le reazioni endotermiche assorbono energia, mentre quelle esotermiche la rilasciano. Tutto ciò ha a che fare con il rapporto tra legami rotti e legami formati. La rottura dei legami è un processo endotermico, mentre la formazione dei legami è un processo esotermico. Il bilanciamento tra il rilascio e l'assorbimento dell'energia verrà illustrato più avanti, quando si analizzeranno i diagrammi entalpici.

Figura 1. Energetica associata alla formazione e rottura dei legami.

Nell'ambito dell'energetica, imparerai come l'energia termica si trasferisce all'interno e all'esterno di una reazione chimica. Inoltre, scoprirai l'entalpia.

Che cos'è l'entalpia? Che cos'ha di speciale e in che modo l'entalpia è diversa dal calore? Approfondiamo l'argomento.

Che cos'è l'entalpia?

Quando una reazione assorbe energia, l'entalpia totale del sistema aumenta. Quando rilascia energia, l'entalpia totale diminuisce. Non possiamo misurare direttamente l'entalpia totale di un sistema, ma possiamo misurare le variazioni di entalpia che avvengono in una reazione chimica.

In che modo l'entalpia differisce dal calore?

Probabilmente sei ancora curioso di sapere in che modo l'entalpia si differenzia dal calore. Nella maggior parte dei casi, quando si parla di "entalpia" si intende anche "calore". Questo è corretto, quando si ha pressione e volume costanti, q=H. Tuttavia, entalpia e calore non sono esattamente intercambiabili.

Cominciamo con il calore. Il calore è una forma di energia. Diciamo che è l'energia che viene scambiata tra un sistema e l'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura. Ad esempio, sappiamo che se mettiamo un cubetto di ghiaccio accanto a una tazza di acqua calda, il calore passerà dalla tazza d'acqua al ghiaccio.

Come abbiamo visto con l'esempio del cubetto di ghiaccio e della tazza di acqua calda, il calore è energia in movimento. Il calore si muove sempre da un sistema caldo a uno più freddo.

L'entalpia è la quantità di energia termica presente in un sistema. Il calore è ciò che chiamiamo trasferimento di energia termica. L'entalpia è una parte essenziale di un sistema, poiché dipende dal numero di molecole, dalla composizione chimica e dalla struttura. Il calore, invece, è l'energia che attraversa i confini di un sistema. Il calore và e viene, non è una parte essenziale di un sistema.

Quando il calore lascia o entra in un sistema, si verifica una variazione di entalpia. A pressione costante il flusso di calore è direttamente correlato all'entalpia. Fortunatamente, la maggior parte degli esperimenti viene eseguita a pressione costante, quindi è possibile calcolare la variazione di entalpia se si conosce il valore di q. Per saperne di più, consultare la sezione Calorimetria.

Diagramma entalpico

Utilizziamo i diagrammi entalpici (chiamati anche diagrammi energetici) per illustrare come cambia l'entalpia in una reazione chimica.

1. Disegnamo i reagenti e i prodotti a livelli diversi che corrispondono alla loro energia.
2. Usiamo le frecce per mostrare la rottura e la creazione di nuovi legami.
3. Quando i legami si rompono, l'energia viene assorbita. Lo mostriamo disegnando una freccia verso l'alto.
4. Quando i legami si formano, l'energia viene rilasciata. Lo mostriamo disegnando una freccia verso l'alto.

Il bilancio energetico tra la creazione e la rottura dei legami ci dice se una reazione è endotermica o esotermica. Si può vedere come funziona il diagramma entalpico qui sotto. I diagrammi energetici sono preziosi perché permettono di capire facilmente se una reazione è endotermica o esotermica.

Figura 2. Come disegnare un diagramma entalpico.

Per illustrare ulteriormente questo aspetto, dai un'occhata ad un altro diagramma entalpico qui sotto. Mostra la combustione del metano CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Dal diagramma energetico si può notare che l'energia rilasciata nella formazione di nuovi legami è maggiore dell'energia assorbita per rompere i legami. Ciò rende la combustione del metano una reazione esotermica.

Figura 3. Diagramma entalpico: combustione del metano.

Per saperne di più sui diagrammi entalpici, consultare la sezione Cambiamenti di entalpia. Parliamo ora dell'entalpia di legame.

Che cos'è l'entalpia di legame?

Nel diagramma energetico sopra riportato, l'energia assorbita per rompere ciascun legame C-H e il legame O-O è nota come entalpia di legame, o energia di legame.

Il valore dell'energia che si sviluppa quando si crea un legame è lo stesso che viene assorbito quando un legame si rompe. Possiamo usare le entalpie di legame per calcolare la variazione di entalpia di una reazione. Quando si effettuano calcoli con le entalpie di legame, si utilizza una media di tutte le entalpie di legame dello stesso legame in ambienti diversi. Questa viene chiamata entalpia di legame media. Per saperne di più, consultare la sezione Entalpia di Legame.

Calorimetria

Abbiamo già detto che se conosciamo il valore di q (flusso di calore), possiamo calcolare la variazione di entalpia in una reazione.

È sufficiente sigillare le sostanze chimiche in reazione all'interno di un contenitore con un termometro per registrare qualsiasi variazione di temperatura. Possiamo utilizzare questa variazione di temperatura per calcolare la variazione di entalpia della reazione utilizzando la seguente equazione:

q = mcΔT

• q è l'energia trasferita, misurata in joule (J).
• m è la massa dell'acqua in grammi (g).
• c è la capacità termica specifica (J g^-1 ºC^-1).
• ΔT è la variazione di temperatura misurata in Kelvin (K) o gradi Celsius.

Figura 4. Calorimetro. Fonte:Opentextbc.ca

In calorimetria si può imparare a condurre un esperimento di calorimetria e a utilizzare i risultati per calcolare la variazione entalpica. A volte non è possibile utilizzare la calorimetria per calcolare le variazioni entalpiche. In questi casi si ricorre alla Legge di Hess.

Che cos'è la legge di Hess?

Abbiamo già detto che la variazione di entalpia è una funzione di stato; in altre parole, la variazione di entalpia è indipendente dal percorso. Se conosciamo un percorso alternativo per una reazione, possiamo calcolare la variazione di entalpia. Questo principio è l'applicazione della Legge di Hess.

In altre parole, supponiamo di avere una reazione chimica tra i reagenti A e i prodotti B. Si può passare direttamente da A a B, oppure attraverso un intermedio, C. Secondo la legge di Hess, la variazione di entalpia nella reazione A → B è uguale alla somma delle variazioni di entalpia nelle reazioni A → C e C → B! L'immagine seguente illustra questo concetto.

Figura 5. Legge di Hess.

Possiamo applicare l'energetica anche ai processi fisici. Esploriamo ora l'energetica delle reazioni nucleari e l'efficienza energetica.

Energetica delle reazioni nucleari

Nelle reazioni nucleari si nota una variazione visibile della massa quando si verifica un cambiamento di energia.

Vi siete mai imbattuti nell'equazione di Albert Einstein E = mc² ? Essa spiega la relazione tra la variazione di massa e di energia in una reazione. La chiamiamo equivalenza massa-energia. Che cosa ha a che fare con l'energetica? Ogni volta che si verifica una variazione di energia, si verifica anche una variazione di massa. Questi cambiamenti sono legati dalla costante c² (la velocità della luce al quadrato).

I cambiamenti di energia che avvengono nei processi chimici sono insignificanti se paragonati alla quantità di energia rilasciata dalle reazioni nucleari. Poiché le variazioni di energia nelle reazioni nucleari sono così grandi, possiamo osservare una variazione di massa visibile. Questa variazione di massa ci permette di calcolare le variazioni di energia nelle reazioni nucleari. Per farlo utilizziamo la relazione tra l'unità di massa atomica (u.m.a) e il MeV. Gli scienziati hanno capito che 1 u.m.a equivale a 1,4924 x 10^-10 joule, cioè a 931,5 MeV!

1 amu = 1.4924 x 10^-10 J = 931.5 MeV

Quando si forma un nucleo, si perde massa e si libera energia come energia di legame nucleare. L'energia di legame nucleare è semplicemente l'energia necessaria per legare insieme protoni e neutroni e formare il nucleo. La perdita di energia è così grande che si manifesta come una perdita di massa.

Questa perdita di massa è nota come difetto di massa. Gli scienziati hanno osservato che la somma delle masse dei singoli protoni e neutroni è superiore alla massa del nucleo nel suo complesso. In altre parole, si parla di difetto di massa quando la massa delle singole particelle subatomiche è superiore a quella del nucleo.

Efficienza energetica

L'energia non può essere creata o distrutta, ma si converte in altre forme di energia come il movimento, il calore, l'elettricità e il suono. Quello che vogliamo fare è sfruttare l'energia sotto forma di lavoro. Il lavoro può essere qualsiasi cosa, dal muovere un'auto, all'illuminare una stanza, al cuocere una torta.

Non è sempre facile far svolgere all'energia il lavoro che vorremmo. Ad esempio, vorremmo che un mixer per torte, girasse, in modo da mescolare uniformemente l'impasto. La maggior parte dell'energia elettrica che forniamo al mixer viene trasformata in energia cinetica che fa girare il mixer. Tuttavia, se hai mai usato un mixer per dolci, sai che una parte dell'energia elettrica viene convertita in energia sonora.

L'energia sonora non è molto utile per mescolare la pastella, quindi la chiamiamo energia sprecata. L'efficienza energetica ci dice quanta dell'energia fornita a un sistema o a una reazione viene convertita nel tipo di energia di lavoro che vogliamo che svolga.

I chimici vorrebbero che le loro reazioni fossero efficienti, poiché i processi efficienti sono più economici, utilizzano meno risorse, producono meno rifiuti e sono più sostenibili. Ad esempio, il metodo della metatesi è un modo per rendere più efficiente la sintesi organica. Nella metatesi, utilizziamo un catalizzatore ad alta efficienza energetica per far sì che le reazioni con un'elevata economia atomica procedano a temperatura e pressione standard. Maggiori informazioni sulla metatesi in Sintesi organica.

Qualità dell'energia

La qualità dell'energia misura la facilità con cui possiamo convertire una forma di energia in un'altra. Nella maggior parte dei casi, vorremmo che l'energia svolgesse un lavoro. Per esempio, abbiamo bisogno che l'energia elettrica fornita a una lampadina si converta in energia luminosa per vedere in uno spazio buio. Tuttavia, una parte di questa energia viene persa sotto forma di calore.

Le lampadine ad alta qualità, come quelle a LED, convertono l'energia elettrica in modo più efficiente, in modo che la maggior parte dell'energia si trasformi in energia luminosa. Le lampadine a filamento di vecchia produzione, invece, non riescono a convertire l'elettricità in luce. La maggior parte dell'energia fornita a una lampadina a filamento si disperde come energia termica! L'energia di bassa qualità non può essere facilmente utilizzata per compiere un lavoro. Di solito, questo accade perché l'energia è troppo disordinata o si disperde rapidamente (per maggiori informazioni, vedere Entropia). L'energia di alta qualità può essere facilmente convertita in lavoro ed è più efficiente.

La qualità energetica è solo una percezione dell'energia. In poche parole, il tipo di energia di alta qualità dipende dal suo impiego. Tutti gli scienziati concordano su quali tipi di energia siano di alta qualità. Alcuni sostengono che l'energia di alta qualità può essere trasformata in altri tipi di energia senza grandi perdite, mentre altri affermano che l'energia di alta qualità può essere utilizzata per svolgere funzioni di alta qualità e bassa qualità.

In generale, l'elettricità è considerata un'energia di alta qualità per la sua efficienza e la capacità di convertirsi in altri tipi di energia. Alcuni scienziati considerano l'energia termica derivante dalla combustione di combustibili come un'energia di bassa qualità, e pensano che possa fare solo cose semplici come far bollire l'acqua.