Lezione 7:Termodinamica E Cinetica Flashcards
Cosa studia la termodinamica?
Studia le variazioni di energia dei processi fisici e chimici
Qual è l’obiettivo della termodinamica?
Stabilire se una reazione è
-spontanea—-> energia reagenti> energia prodotti
-non spontanea—->energia reagenti<energia prodotti
Come posso rendere spontanea una reazione e non spontanea?
Accoppia la reazione non spontanea ad una reazione fortemente spontanea(ossia ∆G°reaz ««0)
In questo modo, la reazione spontanea fornisce un GAP ENERGETICO per fare in modo che nella reazione non spontanea l’energia dei reagenti superi quella dei prodotti
La spontaneità e la velocità di una reazione sono la stessa cosa?
NO!
Spontaneità reazione—-> oggetto di studio della termodinamica
Velocità reazione—-> oggetto di studio della cinetica
Cos’è l’energia?
È il risultato del compimento di un lavoro
(L=Fxs)
Cosa afferma il principio di conservazione dell’energia meccanica?
L’energia meccanica è pari alla somma dell’energia cinetica (K) e dell’energia potenziale (U) e questa somma è costante.
(Questa relazione è verificata solo quando il sistema è isolato e non c’è attrito)
Definisci un sistema
-aperto
-chiuso
-isolato
-aperto: il sistema scambia MATERIA ed ENERGIA con l’ambiente esterno
-chiuso: il sistema scambia solo ENERGIA con l’ambiente esterno (es.cellula)
-isolato: il sistema non scambia né materia né energia con l’ambiente esterno (es.universo)
Qual è la differenza tra sistema meccanico e sistema termodinamico?
Sistema meccanico—-> è costituito da poche particelle (quindi segue le regole della meccanica)
Sistema termodinamico—-> è costituito da un numero molto elevato di particelle (quindi si studia analizzando le PROPRIETÀ MACROSCOPICHE MEDIE RISULTANTI DELLE PARTICELLE)
Cos’è la temperatura?
È l’indice macroscopico che misura l’energia cinetica media delle molecole (quindi non ha senso parlare della temperatura di una singola molecola)
Dimmi 3 cose sulle variabili di stato
-descrivono in modo univoco lo STATO di un sistema termodinamico
-Dipendono dal sistema considerato (quindi non sono definite univocamente)
-Sono interconnesse tra loro attraverso delle funzioni di Stato (es.pV=nRT)
Qual è la differenza tra funzioni di Stato e funzioni di percorso?
-Le funzioni di Stato descrivono lo stato di un sistema, quindi dipendono solo dallo stato attuale del sistema (e non dal percorso/modo in cui è stato raggiunto lo stato attuale)
-Le funzioni di percorso dipendono da stato iniziale e finale del sistema e anche dal percorso
Dimmi 3 cose sulle funzioni di Stato
-descrivono lo stato di un sistema
-Dipendono solo dallo stato attuale del sistema
-Se il sistema è
* all’equilibrio—-> le funzioni di Stato mostrano valori costanti
* non è all’equilibrio—-> si passa da valori che descrivono il primo stato a quelli che descrivono il secondo Stato
Fammi degli esempi di funzioni di Stato e funzioni di percorso
Funzioni di Stato: energia potenziale, energia cinetica, energia interna di un sistema (U), entalpia, entropia ed energia libera
Funzioni di percorso : lavoro e calore
Quali sono i quattro tipi di energia?
Dimmi tre modi in cui si può scambiare energia
1) eseguendo o subendo un lavoro
2) cedendo o acquistando calore
3) scambiando sia lavoro che calore
Cosa afferma il primo principio della termodinamica?
L’energia interna interna di un sistema isolato è costante
Dimmi tre cose sull’energia interna di un sistema (U)
-il suo valore assoluto è dato dalla somma di energia potenziale di energia cinetica
-è una funzione di Stato(perchè dipende dalla somma di energia cinetica ed energia potenziale che sono, a loro volta, funzioni di stato)
-Il suo valore assoluto non è misurabile (ma questo non è un problema perché la termodinamica interessano le variazioni di energia interna e non i valore assoluti)
Come calcolo la variazione di energia interna di un sistema?
(Per convenzione, il calore emesso dal sistema è negativo, il lavoro compiuto dal sistema è negativo per fare in modo che si abbia una diminuzione dell’energia interna quando il sistema cede calore o compie un lavoro)
Qual è una conseguenza del primo principio della termodinamica?
L’energia totale dell’universo è costante (l’energia ne si crea, né si distrugge ma si trasforma)
Cosa succede all’energia interna di una reazione
-esoergonica
-endoergonica
-esoergonica—-> diminuisce (rompo legame, quindi rilascio energia)
-endoergonica—-> aumenta (creo legame, quindi necessito energia)
Qual è la differenza tra calore e temperatura?
-Temperatura—->
* misura l’energia termica in un corpo
* è una variabile di Stato
* e l’espressione dell’energia cinetica media delle particelle di un sistema
-Calore—->
* è una forma di energia termica che viene trasferita tra sistema e ambiente quando hanno temperature diverse
* è un’energia di transito
Come avviene lo scambio di calore tra due sistemi con diverse temperature?
Il calore si sposta dal corpo più caldo a quello più freddo finché non si raggiunge l’equilibrio termico
Dimmi 4 cose sulla capacità termica (c)
-è la quantità di calore necessaria al sistema per cambiare la sua temperatura di 1°C
-dipende da NATURA DELLA SOSTANZA e QUANTITÀ di sostanza
-è una proprietà estensiva della materia
Dimmi 3 cose sulla capacità specifica (cs)
-è la quantità di calore necessaria ad un sistema per aumentare la temperatura di 1 g di sostanza di 1°C
-Dipende solo dalla natura della sostanza
-è una proprietà intrinseca della materia
Come si calcola il calore (q) di un sistema?
Partendo da questa formula, cosa succede alla variazione di temperatura se la massa aumenta?
La variazione di temperatura diminuisce perchè il calore scambiato da un sistema è costante
Cos’è il lavoro meccanico e come si calcola?
-è il lavoro legato all’espansione alla contrazione di un sistema sotto l’azione di una pressione ben definita
-si calcola come
Com’è la variazione di energia interna in una reazione a Volume costante e come si può sfruttare ciò?
Come calcolo l’entalpia di reazione?
Cosa misura la variazione di entalpia?
Indica la variazione di energia che avviene tra sistema e ambiente
Qual è l’unità di misura di H?
Kj/mol
Come sono le variazioni di energia interna e di entalpia in una reazione
-esotermica
-endotermica
-atermica
Disegna i loro grafici
Da cosa deriva il calore che viene emesso durante le reazioni esotermiche?
Dalla diminuzione di energia potenziale chimica del sistema (perchè durante una reazione esotermica si rompono i dei legami chimici, quindi produco energia che viene ceduta all’ambiente sottoforma di calore)
Qual è la differenza tra condizioni standard e stato standard termodinamico?
-condizioni standard(STP)—-> condizioni convenzionali di temperatura e/o pressione da usare come riferimento standard
-Stato standard termodinamico—> definisce
* la pressione, 105 pascal (1 bar),
* l’attività unitaria dei singoli componenti di una miscela che si indicano tradizionalmente con l’apice “°” o θ (theta) .
Nello stato standard, la temperatura deve essere
sempre indicata, anche se quasi sempre si usano 298.15 K,
ovvero 25°C.
L’entalpia è una funzione di stato di percorso?
Di stato
(Infatti H=U)
Cosa afferma la legge di Hess?
Un’equazione chimica può essere scritta come una serie di passaggi, per questo la variazione di entalpa è data dalla somma delle variazioni di entalpia di ogni passaggio
Come posso calcolare la variazione di entalpia di una reazione in condizioni standard?
Uso la legge di Hess
Dimmi 2 cose sull’ Entalpia di formazione (∆Hf°)
-è la variazione di entalpica associata alla formazione di 1 mol di una sostanza a partire dagli elementi che la compongono (tutto ciò avviene in condizioni standard)
-Rappresenta lo zero che utilizziamo come punto di riferimento per fare i calcoli sulla variazione di entalpia
Qual è il valore dell’entalpica di formazione di tutti gli elementi nel loro stato standard?
Zero
Cosa È la variazione dell’entalpia di reazione in condizioni standard (ΔH°)
È la variazione di entalpica di una reazione in cui i reagenti e prodotti sono in condizioni standard
Cosa vuol dire se
-delta Hf°>o
-della Hf°<0
DOVREBBE ESSERE:
-positiva per la decomposizione
-negativa per la sintesi
Le reazioni spontanee portano ad un aumento o una diminuzione dell’energia del sistema?
Portano ad una diminuzione dell’energia del sistema, perché spontaneamente i sistemi tendono a passare da uno stato a maggiore energia (instabile) ad uno stato a minore energia (più stabile)
È vero che tutte le reazioni spontanee sono esotermiche?
No!
Esistono processi spontanei, ma endotermici (questo fenomeno è legato all’entropia)
Es.
Cos’è l’entropia, come si calcola e cosa misura?
-L’entropia (S) è una funzione termodinamica che aumenta con il numero di modi energeticamente equivalenti di disporre i componenti di un sistema (=molteplicità) al fine di raggiungere un determinato stato
-misura il disordine del sistema
- si calcola come:
Cos’è la molteplicità?
La molteplicità sono i modi energicamente equivalenti di disporre i vari componenti di un sistema con l’obiettivo di raggiungere uno stato
Cosa afferma il secondo principio della. Termodinamica?
In un sistema isolato l’entropia non può diminuire
Dimmi tre conseguenze del secondo principio della termodinamica
Come varia l’entropia nei cambiamenti di stato
Dove è contenuta l’energia nello stato solido in quello gassoso?
Nello stato solido, l’energia è contenuta in gran parte
nelle vibrazioni tra le molecole.
Nello stato gassoso, l’energia può essere contenuta
sia nel movimento in linea retta delle molecole
(energia traslazionale) sia nella rotazione delle
molecole (energia rotazionale).
Dimmi due processi spontanei in cui diminuisce l’entropia e spiega il perchè di questo
Questo avviene perchè il processo esotermico rilascia energia nell’ambiente e di conseguenza aumenta il disordine all’interno dell’ambiente (quindi l’entropia del sistema diminuisce a causa del rilascio di energia, mentre l’entropia dell’ambiente aumenta di una quantità maggiore rispetto alla diminuzione dell’entropia del sistema e così l’entropia dell’universo subisce un aumento)
Come calcolo la variazione dell’entropia dell’universo?
Cosa succede se diminuisce l’entropia del sistema?
L’entropia del sistema può diminuire (= essere <0) a condizione che l’entropia dell’ambiente aumenti di una quantità maggiore rispetto alla diminuzione dell’entropia del sistema. Così l’entropia dell’universo subisce comunque un aumento (in accordo al secondo principio della termodinamica
Qual è la relazione tra variazione di entropia e temperatura?
-più alta è la temperatura, minore è la quantità di entropia per una determinata quantità di
energia dispersa nell’ambiente
Perché il congelamento dell’acqua è spontaneo a basse temperature e non spontaneo ad alte temperature?
-nel primo caso l’entropia dell’ambiente aumenta di tanto (perché mi trovo a basse temperature e quindi percepisco di più l’aumento del disordine)
-nel secondo caso l’entropia dell’ambiente aumenta meno dalla diminuzione dell’entropia del sistema (perché mi trovo ad alte temperature e quindi percepisco di meno l’aumento del disordine)
Come calcolo la variazione di entropia dell’ambiente in funzione della variazione di entalpia del sistema e della temperatura?
Come posso calcolare delta G?
Fammi la dimostrazione per calcolare delta G
Qual è la relazione tra variazione dell’energia libera e variazione dell’entropia dell’universo?
Come faccio a capire se una reazione è spontanea o non spontanea?
Devo vedere la variazione dell’energia libera.
Perché le reazioni spontanee avvengono con diminuzione della variazione dell’energia libera?
Perché l’energia libera (o potenziale chimico) è una forma di energia potenziale meccanica.
Quindi, come i sistemi meccanici tendono a spontaneamente verso valori di energia potenziali minori , così i sistemi termodinamici tendono spontaneamente verso valori di G minori
Com’è delta G lungo la curva di fusione e al punto triplo?
È uguale a zero perchè:
-lungo la curva di fusione sono all’equilibrio tra stato solido e liquido
-Al punto triplo sono in equilibrio tra i tre Stati della materia
Questa reazione é spontanea o no?
É spontanea ad alte temperature e non spontanea a basse temperature
Questa reazione è spontanea o no?
Questa reazione è spontanea o no?
Questa reazione è spontanea o no?
Com’è la reazione in questi casi?
L’energia libera e l’entropia sono funzioni di stato funzioni o di percorso
Sono funzioni di Stato
Come calcolo la variazione di energia libera standard?
Come calcolo l’energia libera di reazione in condizioni non standard
Com’é ΔG di reazione all’equilibrio?
Zero
Cosa succede a ΔG se
-k<1
-k=1
-k>1
E cosa significa?
Completa i grafici
Qual è la differenza tra reazione reversibile e irreversibile?
Irreversibile—-> nelle condizioni in cui avviene nel nostro organismo ∆G°reaz ««0 (ossia c’è grande differenza tra la concentrazione di reagenti e prodotti)
Reversibile—-> ∆G°reaz è molto vicino a 0 (quindi può avvenire la reazione inversa
Come fa ad avvenire spontaneamente la prima reazione della glicolisi?
La prima reazione della psicosi non è spontanea, ma può avvenire spontaneamente se la si accoppia con l’idrolisi di ATP(che è una reazione fortemente spontanea)
Perchè l’idrolisi di ATP è spontanea?
Com’è l’idrolisi di ATP da un punto di vista termodinamico e da un punto di vista cinetico?
Termodinamico: spontanea (ΔG° < 0)
Cinetico: processo molto lento (ha un’energia di attivazione molto alta)
Qual è il rapporto tra keq e la variazione di temperatura?
-Se aumento la temperatura (t>o) favorisco il processo endotermico (k>0) e sfavorisco il processo esotermico (k<0)
-se abbasso la temperatura (t<0) favorisco il processo esotermico (k>0) e sfavorisco il processo endo termico(k>0
Cosa studia la cinetica?
La velocità delle reazioni chimiche
Come si calcola la velocità di reazione?
Cos’è la velocità istantanea di una reazione?
È la tangente al grafico delle concentrazioni di reagenti e prodotti nel tempo
Come varia la velocità di una reazione nel corso del tempo (man mano che la reazione avanza)?
Diminuisce (infatti diminuisce la concentrazione dei reagenti)
Dimmi quattro fattori che influenzano la velocità di reazione
- Natura dei reagenti
- Concentrazione dei reagenti
- Temperatura
- Presenza di catalizzatori
Come fa la natura dei reagenti di influenzare la velocità di reazione?
Quale reazione è più veloce?
1)K+H20
2)Na+H20
3)Li+H20
Perchè?
Più veloce di tutte: K+H20 (perchè il potassio ha una bassa energia di ionizzazione, quindi ha un’elevata reattività con l’acqua)
Più lenta di tutte:Li + H20 (perchè il litio ha una elevata energia di ionizzazione, quindi ha una minore reattività con l’acqua)
Quali sono gli elementi più reattivi (tendendo conto dell’energia di ionizzazione?
Quelli con una bassa energia di ionizzazione ( i metalli in basso nei gruppi)
Come la concentrazione dei reagenti può influenzare la velocità di una reazione
Più ci sono reagenti, più probabile che questi si urtino, però l’urto deve essere produttivo (ossia le particelle devono portarsi con un’energia tale da far avvenire la reazione)
Qual è la legge della velocità/ legge cinetica?
Cosa indica l’ordine di reazione?
Indica quanto la concentrazione di un reagente influenza la velocità di reazione
In cosa consiste il metodo delle velocità iniziali e a cosa serve?
-serve per calcolare l’ordine di reazione sperimentalmente,
-si determina la velocità della reazione in un breve intervallo di
tempo all’inizio della reazione. La reazione viene fatta avvenire numerose volte con
diverse concentrazioni iniziali del reagente in modo da determinare l’effetto della
concentrazione sulla velocità:
Cosa vuol dire se la reazione è di ordine zero rispetto ad A?
Fammi un esempio di reazione di ordine zero rispetto ad un reagente?
può succedere che una specie si decomponga a velocità costante fino
alla definitiva scomparsa. Tale decomposizione è un esempio di reazione di ordine
zero, la cui velocità è del tutto indipendente dalla concentrazione
Cos’è l’ordine di reazione totale?
-lo calcolo in una reazione con più reagenti
Come faccio a calcolare l’ordine di reazione di un solo reagente in una reazione con più reagenti?
Cosa succede in una reazione di ordine negativo?
Se aumenta la concentrazione del reagente, va a diminuire la velocità di reazione
Cos’è il tempo di dimezzamento?
Il tempo necessario, affinché la concentrazione di un reagente di mezzi
Dimmi 3 cose sul tempo di dimezzamento
-più è lungo il tempo di dimezzamento più la reazione è lenta
-è indipendente dalla concentrazione iniziale del reagente
-Permette di confrontare contemporaneamente più reazioni per valutare quale sia la reazione più veloce di tutte e qual è la più lenta (es. Posso usare il tempo di dimezzamento del carbonio 14 per risalire alla datazione di un campione biologico)
Com’è la temperatura influenza la velocità di una reazione?
Se aumenta la temperatura, sicuramente aumenta la velocità della reazione
Dimmi 3 cose sulla costante di velocità k
-Viene descritta dall’equazione di arrhenius della costante velocità
-piccole variazioni della temperatura provocano grandi variazioni di K
-è costante a temperatura costante
Cos’è l’energia di attivazione (Ea)
-È l’energia da superare, affinché avvenga la reazione
-è la differenza tra il complesso di attivazione e l’energia dei reagenti
Cosa afferma la teoria cinetica degli urti di Arrhenius?
Affinché avvengono una reazione alle molecole, si devono urtare con un urto produttivo, ossia le molecole:
-Devono avere la giusta orientazione reciproca quando collidono
-Devono avere un’energia uguale o superiore all’energia di attivazione
Quali sono i fattori che influenzano la costante di velocità?
Da cosa dipende la costante di velocità?
Dalla natura dei reagenti e dalla temperatura
Dimmi 5 cose sul fattore di frequenza (A)
— è anche detto fattore pre esponenziale
-è un valore costante che dipende dalla natura dei reagenti (quindi varia da reagente a reagente)
-Il suo valore dipende solo marginalmente dalla temperatura
— è correlato alla frequenza con cui le molecole
collidono con il corretto orientamento e con sufficiente energia (A=Zp)
-è proporzionale al numero di volte che i reagenti si avvicinano alla barriera di attivazione nell’unità di
tempo (=numero di urti nell’unità di tempo)
Dimmi 4 cose sul fattore esponenziale
-è un valore tra 0 e 1
-Indica la frazione di molecole con energia sufficiente per superare l’energia di attivazione (=f)
-cresce all’aumentare della temperatura (in particolare allo zero assoluto, ossia T=0, le molecole non superano le energie di attivazione
-decresce all’aumentare dell’energia di attivazione
Dimmi tre cose sul complesso attivato o complesso di transizione
-È un composto intermedio tra reagenti e prodotti in cui si indeboliscono i legami dei reagenti e si iniziano a formare i legami dei prodotti
-ha un’energia maggiore dell’energia di reagenti e prodotti (quindi costituisce un ostacolo affinché avvenga la reazione)
-La velocità della reazione dipende da quanto è alta la gobba del complesso di attivazione(se la gobba è alta, la reazione è lenta/se la gobba passa la reazione è veloce)
Disegna il grafico di una reazione esotermica e di una reazione endotermica secondo la teoria del complesso attivato
Cosa prevede il meccanismo di scomposizione delle reazioni?
Se una reazione prevede più passaggi, può essere scomposto in reazioni elementari caratterizzate da una particolare energia di attivazione ed intermedi di reazione.
La velocità della reazione sarà determinato dal processo più lento (ossia quello con energia di attivazione maggiore)
Come fanno i catalizzatori ad influenzare la velocità di una reazione?
Fa cambiare il percorso, seguito da una reazione, facendola passare da un percorso con energia di attivazione più bassa ma non modifica l’equilibrio di reazione! (Infatti se una reazione non è spontanea, posso mettere tutto il catalizzatore che voglio, ma la reazione non diventerà mai spontanea diventerà solo più veloce)
Cosa succede ad una reazione se aggiungo il catalizzatore?
Aumenterà la velocità della reazione chimica, ma non la sua spontaneità
Cos’è l’inibitore?
Il contrario di un catalizzatore
Qual è una caratteristica dei catalizzatori?
Partecipano alla reazione, accelerandone la velocità, ma non si consumano
Qual è la differenza tra catalisi omogenea ed eterogenea?
-catalisi in fase omogenea—-> il catalizzatore è nella stessa fase dei reagenti
-catalisi eterogenea—-> catalizzatore non è nella stessa fase dei reagenti
Di quanto possono velocizzare la velocità di una reazione gli enzimi?
accelerano le reazioni di un fattore da 10^6 a 10^12 volte!
Fammi un esempio di catalizzatori biologici
Enzimi
Qual è l’unica reazione della glicolisi che non è reversibile?
La prima.
Gli enzimi possono catalizzare sia la reazione diretta che la reazione inversa?
Sì, ma solo quando non c’è un’elevata differenza di energia libera tra reagenti e prodotti
Come avviene la catalisi enzimatica?
1)il sito attivo dell’enzima si lega al substrato (ossia il reagente della reazione)
2)si forma il complesso di transizione costituito da enzima e substrato (ossia si rompono i legami del substrato, perchè l’enzima tende i legami tra le molecole del substrato, e si iniziano a formare i legami dei prodotti. In questa fase l’enzima cambia forma)
3) l’enzima si lega al prodotto di reazione e poi lo rilascia, ritornando alla sua forma originale
Fammi un esempi di catalisi enzimatica
Cosa significa se una reazione è di ordine 3 rispetto ad un reagente?
La velocità è proporzionale al cubo della concentrazione del reagente
