Termodinamica: energia e sistemi

La termodinamica studia come l'energia si muove durante le reazioni chimiche - una cosa che succede continuamente intorno a te, dalla combustione della benzina alla digestione del cibo. È tutto basato su come sistemi e ambiente si scambiano energia.

I sistemi si dividono in tre tipi: aperti (scambiano sia materia che energia), chiusi (solo energia) e isolati (niente di niente). Pensaci come a una pentola: aperta lascia uscire vapore e calore, chiusa solo calore, isolata (tipo thermos) trattiene tutto.

Le reazioni possono essere esotermiche (liberano calore, ΔH < 0) o endotermiche (assorbono calore, ΔH > 0). L'entalpia (H) misura il contenuto energetico totale del sistema. La formula chiave è ΔH = H_prodotti - H_reagenti.

Ricorda: Nelle reazioni esotermiche i prodotti hanno meno energia dei reagenti, come una palla che rotola giù da una collina!

Spontaneità delle reazioni

Non basta che una reazione liberi energia per essere spontanea - serve l'equazione di Gibbs: ΔG = ΔH - T·ΔS. Qui entra in gioco l'entropia (S), che misura quanto è "disordinato" un sistema.

Una reazione è spontanea quando ΔG < 0 (esoergonica), non spontanea quando ΔG > 0 (endoergonica), all'equilibrio quando ΔG = 0. La temperatura può ribaltare tutto: alcune reazioni diventano spontanee solo a temperature specifiche.

La cinetica chimica spiega la velocità delle reazioni attraverso la teoria delle collisioni. Le molecole devono scontrarsi con l'orientamento giusto e abbastanza energia per superare la "barriera" chiamata energia di attivazione (Ea).

Il complesso attivato è lo stato di transizione dove i vecchi legami si stanno rompendo e i nuovi formando. Maggiore è l'energia di attivazione, più lenta è la reazione.

Tip: Immagina l'energia di attivazione come la spinta iniziale per far partire un'auto: più alta è, più fatica ci vuole!

Velocità di reazione e catalizzatori

La velocità di reazione si calcola con V = -Δ$A$/Δt e dipende dalla concentrazione secondo la legge V = K$A$^m. L'ordine di reazione (m) determina come la concentrazione influenza la velocità.

Nelle reazioni di ordine zero la velocità è costante, di primo ordine è proporzionale alla concentrazione, di secondo ordine al quadrato della concentrazione. La costante K cambia solo con la temperatura.

I fattori che aumentano la velocità sono: concentrazione maggiore, temperatura più alta, superficie di contatto maggiore, e soprattutto i catalizzatori. Questi abbassano l'energia di attivazione senza essere consumati nella reazione.

I catalizzatori non cambiano ΔH o ΔG, non spostano l'equilibrio ma accelerano solo il raggiungimento. Gli enzimi sono i catalizzatori biologici che rendono possibili le reazioni nel tuo corpo.

Fatto interessante: I catalizzatori sono come scorciatoie su una mappa - ti fanno arrivare allo stesso posto ma più velocemente!

Equilibrio chimico

Molte reazioni sono reversibili e raggiungono un equilibrio dinamico dove le velocità diretta e inversa si equivalgono. Le concentrazioni restano costanti ma le molecole continuano a trasformarsi avanti e indietro.

La costante di equilibrio Keq esprime il rapporto tra concentrazioni di prodotti e reagenti: Keq = $C$^γ$D$^δ / $A$^α$B$^β. Questa segue la legge di azione della massa e varia solo con la temperatura.

Se Keq >> 1 l'equilibrio favorisce i prodotti, se Keq << 1 favorisce i reagenti, se Keq ≈ 1 sono in quantità simili. Puoi esprimerla come Kc (concentrazioni) o Kp (pressioni parziali per gas).

Il valore di Keq ti dice quanto "completa" è una reazione: più alto è, più prodotti si formano. È uno strumento fondamentale per prevedere il risultato delle reazioni.

Trucco: Se Keq ha tanti zeri dopo la virgola, la reazione produce pochi prodotti; se è un numero grande, ne produce tanti!

Principio di Le Châtelier

Il principio di Le Châtelier è la tua guida per prevedere come l'equilibrio reagisce ai cambiamenti: il sistema si oppone sempre alle "sollecitazioni" esterne per mantenere l'equilibrio.

Variazioni di concentrazione: aggiungere reagenti o togliere prodotti sposta l'equilibrio a destra; fare il contrario lo sposta a sinistra. La Keq rimane uguale, cambiano solo le concentrazioni.

Variazioni di temperatura: nelle reazioni endotermiche, aumentare T sposta l'equilibrio a destra e aumenta Keq; nelle esotermiche succede l'opposto. La temperatura è l'unico fattore che cambia il valore di Keq.

Variazioni di pressione: influenzano l'equilibrio solo se ci sono gas e cambia il numero totale di moli. Se Δn > 0 (più moli di prodotti), alta pressione favorisce i reagenti; se Δn < 0, favorisce i prodotti.

Regola d'oro: Il sistema fa sempre il contrario di quello che gli fai - se aumenti qualcosa, lui cerca di diminuirla!

Equilibri di solubilità

Quando un sale poco solubile si scioglie, si crea un equilibrio tra il solido e gli ioni in soluzione. Il prodotto di solubilità (Kps) misura quanto facilmente il sale si dissolve.

Per un sale AB: Kps = $A⁺$$B⁻$ e la solubilità s è s = √Kps. Per sali più complessi come AB₂, diventa Kps = $A²⁺$$B⁻$² e s = ∛$Kps/4$.

L'effetto dello ione comune diminuisce la solubilità: aggiungendo uno ione già presente, l'equilibrio si sposta verso la precipitazione per mantenere costante il Kps.

La tabella riassuntiva mostra come entalpia, entropia e temperatura determinano la spontaneità: reazioni esotermiche con aumento di entropia sono sempre spontanee, quelle endotermiche con diminuzione di entropia mai.

Concetto chiave: Più basso è il Kps, meno solubile è il composto - come il sale vs lo zucchero nell'acqua!

Esercizi di solubilità

Gli esercizi di solubilità seguono due tipologie principali che devi saper riconoscere e risolvere.

Primo tipo: dato il Kps, calcolare la solubilità. Per AB ⇌ A⁺ + B⁻, hai Kps = s², quindi s = √Kps. Per AB₂ ⇌ A²⁺ + 2B⁻, diventa Kps = s·(2s)² = 4s³, quindi s = ∛$Kps/4$.

Secondo tipo: data la solubilità, calcolare il Kps. È l'operazione inversa: per AB usi Kps = s², per AB₂ usi Kps = s·(2s)².

La chiave è identificare quanti ioni produce ogni molecola di sale e impostare correttamente l'espressione del Kps. Fai sempre attenzione ai coefficienti stechiometrici!

Strategia vincente: Scrivi sempre prima l'equilibrio di dissociazione, poi imposta l'espressione del Kps - così non sbagli mai!