TEMATICI DE CHIMIE GENERALĂ
Energie: Concepte fundamentale
Forme de energie: Cinetică și potențială.Lucru și energie.Căldură și temperatură.Energie potențială electrostatică.
Energie: cinetică și potențială
Noțiunea de energie este fundamentală pentru științele fizice. Aici ne propunem să expunem câteva principii de bază cu privire la energie și să prezentăm câteva dintre formele pe care le ia energia și care sunt de o importanță deosebită pentru chimie. În primul rând, este adesea foarte util să definim un sistem pentru a desemna o anumită parte a universului asupra căreia se fac observațiile noastre. Sistemul este alcătuit dintr-un obiect sau o colecție de obiecte și se distinge de restul universului – pe care noi îl numim mediul înconjurător – printr-o graniță reală sau imaginară.
Un eșantion de gaz ținut într-un volum fix, cum ar fi un cilindru metalic, este un exemplu de sistem – unul care va fi relevant pentru noi atunci când vom aborda studiul proprietăților generale ale gazelor. Alte exemple sunt o mostră de gaz în interiorul unui balon sau un amestec de combustie într-un cilindru cu piston. În ambele cazuri, sistemul este înconjurat de o graniță fizică, dar mobilă, astfel încât volumul sistemului nu este fix. Un alt exemplu pe care îl vom lua adesea în considerare este cel al unui amestec de substanțe în soluție care suferă o reacție chimică în interiorul unei eprubete sau al unui pahar de laborator. Terminologia introdusă aici are o importanță deosebită în studiul modului în care se manifestă energia în sistemele chimice, care se încadrează în mare parte în domeniul termodinamicii.
În chimia generală, sistemele pe care le considerăm relevante sunt de obicei în repaus și efectele gravitaționale sunt ignorate. Adesea, suntem cel mai mult interesați de sistemele în cadrul cărora au loc reacții chimice, compoziția chimică a sistemului schimbându-se în timp. Să adoptăm totuși, pentru moment, o perspectivă mai largă, folosind sisteme mecanice, cum ar fi un pendul care se balansează sau bile de biliard care se rostogolesc și se ciocnesc, pentru a ne ajuta să înțelegem principiile generale referitoare la energie.
Se poate spune că un sistem posedă energie în două moduri diferite, pe care le numim energie cinetică și energie potențială. Energia cinetică este energia materiei în mișcare. Fizica oferă o definiție matematică exactă a energiei cinetice (KE), prezentată în ecuația (mai jos, în stânga).
Aici, energia cinetică a unui obiect este reprezentată ca fiind produsul dintre masa obiectului (m) și pătratul vitezei sale (v), înmulțit, de asemenea, cu constanta ½. Dacă sistemul este format din mai multe obiecte, energia cinetică totală este exprimabilă ca sumă a energiilor cinetice ale obiectelor individuale.
Pot fi deduse unități pentru energie având în vedere această definiție. Unitatea SI pentru energie este joule (J), care se definește astfel:
1 J = 1 kg-m-s-2
Energia potențială este energia unui sistem care poate fi, de obicei, convertită în energie cinetică sub o anumită formă și capabilă să producă, într-o anumită măsură, o cantitate numită lucru (discutată mai jos). Un exemplu clar de energie potențială este o cărămidă pe pervazul unei clădiri. Cărămida are o anumită cantitate de energie potențială în virtutea înălțimii sale – poziția sa în raport cu un câmp gravitațional. Dacă dăm un impuls cărămizii, astfel încât să cadă de pe pervaz, aceasta se deplasează spontan în direcția în care energia potențială gravitațională este mai mică și, pe măsură ce face acest lucru, capătă energie cinetică. Un alt exemplu este energia potențială electrică a unei baterii (care este exprimată în termeni de tensiune). Atunci când se realizează un circuit cu un fir și un bec, care conectează cele două terminale ale unei baterii, diferența de potențial electric dintre ele face ca electronii din fir să se miște (energie cinetică), ceea ce duce la producerea de căldură și lumină.
Un principiu general important despre energie este acela că aceasta nu poate fi nici creată, nici distrusă. Acest lucru este cunoscut sub numele de legea conservării energiei. Din punct de vedere cantitativ, acest lucru înseamnă că într-un sistem, cum ar fi cărămida în cădere sau pendulul unui ceas, suma energiei cinetice și a energiei potențiale este constantă. Aceasta este oarecum o abstractizare, deoarece într-un pendul real, o parte din energie se pierde continuu din cauza frecării, iar o cantitate mică de energie trebuie adăugată pendulului pentru a continua să se balanseze (și pentru ca ceasul să funcționeze). Dar dacă ținem cont de această energie „pierdută” (care apare de fapt ca o creștere a energiei termice a moleculelor de aer din jur) prin măsurători experimentale atente, se constată că, într-adevăr, energia se conservă întotdeauna. O altă avertizare este rezumată în faimoasa ecuație a lui Einstein E = mc2, care exprimă o echivalență fundamentală a masei și energiei. O formă mai generală a legii conservării energiei, care poate fi numită legea conservării masei-energiei, explică această echivalență. Revenind la chimia generală, astfel de interconversii materie-energie nu sunt în mod obișnuit de competența sa, în timp ce studiul reacțiilor nucleare și al radioactivității este cuprins în fizica nucleară.
Dacă luăm în considerare o reacție chimică în care schimbările chimice sunt însoțite de producerea de căldură, apare o întrebare: Ce se întâmplă cu conservarea energiei în acest caz? Răspunsul este că există o formă de energie potențială, pe care o putem numi energie potențială chimică (sau pur și simplu potențial chimic), care poate fi considerată ca rezidând în compoziția moleculară a reactanților. Această energie potențială este apoi transformată în energie sub formă de căldură, dar se pare că cantitatea netă de energie prezentă rămâne constantă, odată ce suntem capabili să definim și să măsurăm producția de căldură. Un exemplu cotidian a ceea ce putem înțelege acum drept energie potențială chimică este dat de un motor pe benzină, în care amestecul de benzină și oxigen posedă o formă latentă de energie. Această energie latentă din amestecul de benzină și oxigen este cheltuită pentru a produce energia cinetică a unui automobil.
Lucru și energie
Lucrul este un alt concept care admite o definiție precisă în fizică. Mai mult, legile mecanicii pot fi puse în legătură cu energia prin intermediul teoremei muncă-energie. Lovitura de picior a unei mingi de fotbal, sau un număr oarecare de exemple similare, ilustrează ideea că energia cinetică a unui obiect poate fi mărită prin aplicarea unei forțe. Teorema muncă-energie, care este o generalizare a acestei idei, poate fi enunțată în linii mari după cum urmează: Variația energiei pe care o posedă un obiect este egală cu mărimea forței care acționează asupra sa, înmulțită cu distanța pe care acționează forța.
Variația de energie care are loc într-un sistem ca urmare a unui lucru poate fi pozitivă sau negativă, din punctul de vedere al sistemului. Lucrul poate fi efectuat de un sistem sau un sistem poate avea un lucru efectuat asupra sa de către mediul înconjurător. În cazul în care munca este efectuată de un sistem, acesta pierde energie în favoarea mediului înconjurător. În cazul în care un sistem este supus unui efort, energia sistemului crește. De exemplu, atunci când o scânteie care declanșează un amestec de combustie într-un cilindru cu un piston mobil provoacă o expansiune rapidă a sistemului, iar expansiunea este cuplată mecanic la mișcarea unei tije din mediul înconjurător, sistemul din cilindru lucrează asupra mediului înconjurător și, astfel, pierde energie. Aceasta este, desigur, o parte din modul în care un motor cu combustie internă convertește energia potențială chimică în energia cinetică a unei mașini în mișcare.
O implicație a teoremei lucru-energie este pentru unități, și anume că lucrul poate fi măsurat în aceleași unități ca și energia. Deoarece a doua lege a lui Newton este forță = masă × accelerație, newtonul (N), unitatea SI pentru forță, se obține ca M × L × T -2, și astfel 1 N = 1 kg m s-2. Forța înmulțită cu distanța are cantitățile M × L2 × T -2, astfel încât unitatea SI pentru energie, joule (J), se definește ca 1 J = 1 kg m2 s-2. În acest moment, ar trebui să verificați singuri că ecuația pentru energia cinetică implică aceeași combinație a cantităților fundamentale masă (M), lungime (sau distanță, L) și timp (T).
Căldură și temperatură
Utilizăm cuvintele căldură și temperatură destul de frecvent și vorbim adesea despre căldură ca despre o formă de energie. Cu toții avem un sentiment intuitiv despre ce sunt aceste lucruri, dar aici vrem să ne gândim la ele mai mult din punct de vedere științific și să le dăm definiții mai formale, dacă putem. Acesta este un preludiu necesar pentru cuantificarea energiei corespunzătoare căldurii și, de aici, pentru măsurători care să verifice legea conservării energiei. Ceea ce constatăm este că energia termică a unui sistem poate fi asimilată energiei cinetice totale (așa cum a fost definită mai sus) a atomilor și moleculelor care îl compun. Temperatura unui obiect sau a unui sistem este, de fapt, o măsură a energiei cinetice medii a atomilor și/sau moleculelor care îl compun. (N.B. Temperatura nu este exact egală cu energia cinetică medie moleculară, dar este direct proporțională cu aceasta. Pentru mai multe detalii, consultați pagina web privind teoria cinetică moleculară).
Un mod de a vizualiza ceea ce înțelegem prin căldură și temperatură, precum și distincția dintre ele, este să luăm în considerare o analogie cu o bilă de biliard. În unele contexte simple, comportamentul bilelor de biliard este un model adecvat pentru o colecție de atomi sau molecule, cum ar fi într-o mostră de gaz. La fel ca bilele de biliard care tocmai au fost lovite de o bilă de biliard care se mișcă rapid, moleculele unui gaz se mișcă de colo-colo, ricoșând unele în altele și în pereții recipientului care le conține. Energia cinetică totală a bilelor de biliard, care este doar suma energiilor cinetice individuale ale fiecărei bile, este analogă cu conținutul de energie termică al unui eșantion de molecule de gaz. În timpul unei „pauze” la începutul unui joc de biliard, energia cinetică inițială a bilei albe este distribuită între toate bilele de pe masă. Unele se mișcă destul de repede, iar altele nu atât de repede, dar analogia cu „căldura” sau „energia termică” pentru sistemul de bile de biliard este doar suma acestor energii cinetice. Pe de altă parte, temperatura sistemului de bile de biliard ar fi proporțională cu energia cinetică medie a ansamblului de bile.
Energia potențială electrostatică
Legea atracției și repulsiei electrostatice, sau legea lui Coulomb, descrie forța exercitată asupra unui obiect încărcat datorită prezenței unui alt obiect încărcat. Forța este cel mai ușor de calculat atunci când sarcinile pot fi tratate ca sarcini punctiforme foarte mici. Magnitudinea forței pe care o „simte” un obiect încărcat este proporțională cu produsul sarcinilor (unitatea SI pentru sarcina electrică este Coulomb, C) și invers proporțională cu pătratul distanței de separare dintre sarcini (r în figura din dreapta). Forța este o forță atractivă (ca și gravitația, și este indicată prin vârfuri de săgeată îndreptate spre interior în figură) dacă sarcinile sunt de semn opus, și repulsivă atunci când sarcinile au același semn.
Când forța (cum ar fi forțele electrostatice, magnetice și gravitaționale) poate acționa la distanță (prin spațiu, fără contact mecanic), se spune că obiectele supuse acestor forțe se află într-un câmp de energie potențială. Am vorbit mai sus despre energia potențială gravitațională și, în mod similar, în cazul forțelor electrostatice, un obiect încărcat va avea energie potențială electrostatică în virtutea situării sale într-un câmp electric. Un astfel de câmp există în vecinătatea oricărei alte sarcini sau sarcini.
Ecuația pentru energia potențială electrostatică: PE este proporțională cu sarcinile q1 și q2 și invers proporțională cu distanța de separare, r. Forma funcției energiei potențiale rezultă matematic din expresia forței, legea lui Coulomb.
Datorită semnelor opuse ale sarcinilor în atracție, energia potențială este întotdeauna negativă, iar cu cât sarcinile se apropie mai mult, cu atât energia potențială devine mai negativă – adică mai mică. Pe măsură ce distanța de separare, r se apropie de zero, energia potențială devine infinit negativă. Pentru sarcinile de același semn, energia de repulsie este întotdeauna pozitivă și devine infinit pozitivă pe măsură ce distanța de separare, r se apropie de zero.
Energia potențială electrostatică este un aspect important în chimie. Înțelegerea naturii atomului, a legăturilor chimice și a forțelor intermoleculare depinde în mod absolut de luarea în considerare a influenței interacțiunilor sarcină-încărcare care contribuie la energia unui sistem.
Unități importante
Energie (unitate SI) 1 joule = 1 J = 1 kg-m-s-2
Carcină elementară, e = 1,60218 × 10-19 C (coulomb, C)
Constanta Faraday: F = NAe = 9,64853 × 104 C-mol-1
Potențialul electric: volți, V 1 V = 1 J C-1
.