II.1. Modificări energetice în reacțiile chimice. Căldură de reacție.

Termodinamica studiază fenomenele termice utilizând mărimi care pot fi măsurate experimental sau care pot fi calculate cu ajutorul unor mărimi ce pot fi direct determinate (masă, volum, presiune, temperatură etc.).

Termochimia este un domeniu al chimiei care se ocupă cu studiul cantităților de căldură absorbită sau degajată în reacțiile chimice. Termochimia este un capitol al termodinamicii care studiază aplicațiile principiului I al termodinamicii la variațiile de căldură ce însoțesc reacțiile chimice.

Pentru a studia modificările energetice ale unei reacții chimice vom considera o parte limitată și bine definită din mediul înconjurător numită sistem, care poate interacționa cu mediul exterior schimbând energie și/sau substanță.

În reacțiile chimice reactanții reprezintă starea inițială a sistemului, iar produșii de reacție reprezintă starea finală a sistemului.

Starea unui sistem, la un anumit moment, este caracterizat de anumite mărimi fizice numite parametrii de stare.

Ecuația de stare (numită Clapeyron - Mendeleev) descrie dependența dintre parametrii de stare ai unui sistem termodinamic:

p ∙ V = ν ∙ R ∙ T

p = presiunea gazului ideal
V = volumul gazului ideal
ν = numărul de moli ai gazului ideal
R = constanta universală a gazelor = 8,3143 ∙ 10³ J/kmol ∙ K
T = temperatura gazului ideal

Schimbul de energie dintre un sistem închis și mediul exterior poate avea loc în două moduri :
- Prin efectuare de lucru mecanic;
- Prin transfer de căldură.

Energia (E) a unui sistem reprezintă capacitatea de a efectua un lucru mecanic și/sau de a transfera căldură.

Deci, un sistem constă în general din speciile implicate în transformările chimice sau fizice care apar în reacții. Aceste sisteme pot fi clasificate în trei tipuri: deschis, închis și izolat.

• Un sistem deschis este unul care permite transferul de materie și energie (căldură) cu mediul înconjurător.

• Într-un sistem închis există un schimb de energie cu exteriorul, dar nu de materie.

• Într-un sistem izolat nu există transfer de materie sau energie sub formă de căldură. Aceste sisteme sunt cunoscute și sub denumirea de „adiabatice”.

Atunci când un sistem interacționează cu mediul înconjurător, are loc un schimb de energie. Energia poate fi schimbată cu mediul exterior, fie cu variația parametrilor externi, fie fără variația acestor parametri.

Cantitatea de energie schimbată de sistem numai cu variația parametrilor externi se numește lucru mecanic L, iar cantitatea de energie schimbată de sistem fără variația parametrilor externi se numește căldură, Q.

Măsura energiei transferate sistemului în condițiile interacțiunilor care au drept rezultat variația parametrilor de poziție sub acțiunea unor forțe se numește lucru mecanic.

Lucrul mecanic (L) al unei forțe constante este o mărime fizică scalară egală cu produsul dintre modulul forței (F) și deplasarea (d) a punctului de aplicație.

L = F ∙ d

🔦 Observație

1. Lucrul mecanic este o mărime de proces și depinde de toate stările prin care trece sistemul.

2. Lucrul mecanic este o măsură a variației energiei sistemului prin mișcarea ordonată a moleculelor într-un proces.

Convenții de semne pentru lucrul mecanic efectuat de sistemul termodinamic:

a) Dacă sistemul efectuează lucru mecanic asupra mediului exterior (cedează L), atunci L >0.

b) Dacă asupra sistemului se efectuează lucru mecanic (primește L), atunci L < 0.

Obiectele (moleculele) posedă energie datorită mișcării (energie cinetică) și a poziției lor (energie potențială).

Energia cinetică (Ec) este energia de mișcare și depinde de masa corpului (m) și de viteza sa (v) :

Energia potențială (Ep) este energia pe care o înmagazinează un corp datorită poziției relative față de un alt corp. Ea poate fi energie potențială gravitațională și/sau energie potențială elastică.

Căldura (Q) reprezintă transferul de energie termică între două corpuri care au temperaturi diferite și, implicit, energii cinetice diferite. Energia se transferă de la obiectul mai cald (ale cărui molecule au energie cinetică mai mare) la obiectul mai rece (ale cărui molecule au energie cinetică mai mică).

🔦 Observație

Căldura (Q) este o mărime fizică care măsoară energia transferată, numai prin mișcarea dezordonată a moleculelor dintre două corpuri aflate în contact termic.

Căldura, ca și lucrul mecanic, este o mărime de proces și depinde de toate stările prin care trece sistemul.

Fiind un transfer de energie, căldura are aceeaşi unitate de măsură în Sistemul Internațional ca și energia și lucrul mecanic:

[Q]_SI = J (joule)

O altă unitate de măsură tolerată pentru căldură este caloria: 1cal = 4,18 J

Caloria se definește ca fiind cantitatea de căldură necesară unui gram de apă distilată să-și ridice temperatura cu 1 ºC între 19,5 ºC și 20,5 ºC.

Convenții de semne pentru căldură:
a) Când sistemul primește căldură din exterior, atunci Q > 0.
b) Când sistemul cedează căldură în exterior, atunci Q < 0.
c) Când sistemul este izolat adiabatic (nu schimbă căldură cu exteriorul), atunci Q = 0.

Căldura de reacție este efectul termic ce însoțește o reacție chimică și reprezintă cantitatea de căldură absorbită sau degajată în timpul unei reacții chimice. Ea depinde numai de starea inițială și finală a sistemului chimic și nu depinde de drumul parcurs de sistem în timpul evoluției sale.

Căldura de reacție se determină în majoritatea cazurilor în condiții de presiune constanta, Q_p și mai rar în condiții de volum constant, Q_v, la o anumită temperatură.

Căldura de reacție se măsoară cu ajutorul unui calorimetru.