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La comprensione e il controllo delle trasformazioni chimiche

Alcuni concetti base di termodinamica

Per stabilire se una reazione chimica ha luogo spontaneamente oppure no occorre esaminarne gli aspetti energetici, cioè le variazioni di energia implicate nella trasformazione e i fattori che possono influire su tali variazioni. La forma di energia più diffusamente coinvolta nelle reazioni chimiche è il calore e la parte della chimica che si occupa di questi aspetti è la termochimica. La termochimica opera secondo i principi generali della termodinamica, la scienza che stabilisce i concetti fondamentali per studiare i trasferimenti di energia, tra sistemi chimici o fisici, sotto forma di calore o lavoro . Le basi della termodinamica poggiano sul primo e sul secondo principio.

Si definisce sistema l'insieme dei corpi (o il singolo corpo) oggetto di indagine, distinto dall'ambiente, che è tutto ciò che si trova al di fuori del sistema; sistema e ambiente sono separati da un confine, attraverso il quale si verificano gli scambi di energia e/o di materia. (Un sistema chimico può essere, per esempio, un cristallo di zolfo, una determinata massa d'acqua o un certo volume di una soluzione di cloruro di sodio a concentrazione nota, o una mole di gas).

Un sistema è detto:

chiuso, se può scambiare con l'ambiente solo energia;

aperto, se può scambiare con l'ambiente energia e materia;

isolato, se non può scambiare con l'ambiente né materia né energia.

Lo stato di un sistema è definito dal valore delle grandezze che lo caratterizzano: temperatura, pressione, volume e composizione. Tali grandezze sono anche chiamate variabili di stato. Quando tali grandezze si mantengono costanti nel tempo il sistema si trova in uno stato di equilibrio; quando una o più di esse variano, varia lo stato del sistema, cioè avviene una trasformazione di stato, e tale trasformazione è indipendente dal cammino percorso dal sistema, cioè dal modo in cui esso si è trasformato.

Si definisce energia interna, U, di una sistema la somma di tutte le energie, cinetica e potenziale, possedute dalle particelle che lo costituiscono.

L'energia cinetica di un sistema di molecole è connessa ai diversi tipi di moto (di traslazione, di rotazione e di vibrazione) che possono compiere le molecole (l'energia cinetica media corrisponde all'energia termica del sistema).

L'energia potenziale di un sistema di molecole ne rappresenta l'energia chimica ed è connessa all'energia di legame intramolecolare (legami tra atomi) e intermolecolare (forze di van der Waals e legami a idrogeno).

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