Entalpia di legame

Chimica fisica

INDICE :

INDICE

Lerne mit deinen Freunden und bleibe auf dem richtigen Kurs mit deinen persönlichen Lernstatistiken

Jetzt kostenlos anmelden

Nie wieder prokastinieren mit unseren Lernerinnerungen.

Jetzt kostenlos anmelden

L'entalpia di legame, nota anche come energia di dissociazione del legame o, semplicemente, "energia di legame", si riferisce alla quantità di energia necessaria per rompere i legami in una mole di una sostanza covalente in atomi separati.

L'entalpia di legame (E) è la quantità di energia necessaria per rompere una mole di uno specifico legame covalente in fase gassosa.

Se negli esami ti viene chiesta la definizione di entalpia di legame, dovete includere la parte relativa alla presenza della sostanza in fase gassosa. Inoltre, è possibile eseguire calcoli di entalpia di legame solo su sostanze in fase gassosa.

Indichiamo il legame covalente specifico che viene spezzato mettendolo tra parentesi dopo il simbolo E. Ad esempio, si scrive l'entalpia di legame di una mole di idrogeno biatomico (H₂) come E (H-H).

Una molecola biatomica è semplicemente una molecola che contiene due atomi, come H₂, O₂ o HCl.

Nel corso di questo articolo definiremo l'entalpia di legame.
Scopriremo le energie medie di legame.
Impareremo a utilizzare le entalpie medie di legame per calcolare il ΔH di una reazione.
Imparare a utilizzare l'entalpia di vaporizzazione nei calcoli dell'entalpia di legame.
Scoprire la relazione tra l'entalpia di legame e l'andamento delle entalpie di combustione di una serie omologa.

Che cosa si intende per entalpia di legame?

Cosa succede se la molecola con cui abbiamo a che fare ha più di un legame da rompere? Per esempio, il metano ( CH₄ ) ha quattro legami C-H. Tutti e quattro gli idrogeni del metano sono legati al carbonio con un singolo legame. Ci si potrebbe aspettare che l'entalpia di legame per tutti e quattro i legami sia la stessa. In realtà, ogni volta che si rompe uno di questi legami si modifica l'ambiente dei legami rimasti. La forza di un legame covalente è influenzata dagli altri atomi della molecola. Ciò significa che lo stesso tipo di legame può avere energie di legame diverse in ambienti diversi. Il legame O-H nell'acqua, ad esempio, ha un'energia di legame diversa da quella del legame O-H nel metanolo. Poiché le energie di legame sono influenzate dall'ambiente, utilizziamo l'entalpia media di legame.

L'energia media di legame (detta anche energia media di legame) è la quantità di energia necessaria per rompere un legame covalente in atomi gassosi in media su diverse molecole.

Le entalpie medie di legame sono sempre positive (endotermiche), poiché la rottura dei legami richiede sempre energia.

In sostanza, si fa una media delle entalpie di legame dello stesso tipo di legame in ambienti diversi. I valori dell'entalpia di legame riportati in un libro di dati possono variare leggermente perché sono valori medi. Di conseguenza, i calcoli che utilizzano le entalpie di legame saranno solo approssimativi.

Come trovare il ∆H di una reazione usano le entalpia di legame

Possiamo utilizzare i dati dell'entalpia media di legame per calcolare la variazione di entalpia di una reazione quando non è possibile farlo sperimentalmente. Possiamo applicare la legge di Hess utilizzando la seguente equazione:

$H_{r} = \sum Bond enthalpies broken in reactants - \sum bond enthalpies formed in products$

Entalpia di legame, esempio, StudySmarter Fig. 1 - Utilizzo delle entalpie di legame per trovare il ∆H.

Il calcolo del ΔH di una reazione utilizzando le entalpie di legame non sarà così accurato come l'utilizzo dei dati sull'entalpia di formazione/combustione, perché i valori dell'entalpia di legame sono di solito l'energia media di legame - una media su una gamma di molecole diverse.

Ora esercitiamoci nel calcolo dell'entalpia di legame con alcuni esempi!

Ricordate che potete usare le entalpie di legame solo se tutte le sostanze sono in fase gassosa.

Calcolare il ∆H per la reazione tra monossido di carbonio e vapore nella produzione di idrogeno. Le entalpie di legame sono elencate di seguito.

${CO}_{(g)} + H_{2} O_{(g)} \to H_{2_{(g)}} + {CO}_{2 (g)}$

Tipo di legame	Entalpia di Legame (kJ ${mol}^{- 1}$ )
C-O (carbon monoxide)	+1077
C=O (carbon dioxide)	+805
O-H	+464
H-H	+436

In questo esempio utilizzeremo un ciclo di Hess. Cominciamo a disegnare un ciclo di Hess per la reazione.

Entalpia di legame, esempio, StudySmarter Fig. 2 - Calcolo dell'entalpia di legame

Ora scomponiamo i legami covalenti di ciascuna molecola in singoli atomi utilizzando le rispettive entalpie di legame. Ricordate:

Ci sono due legami O-H nell'acqua H₂O,
Un legame C-O in CO,
Due legami C-O in CO₂,
Legame H-H nella molecola di idrogeno H₂.

Entalpia di legame, esempio di calcolo, StudySmarter Fig. 3 - Calcolo entalpia di legame.

Ora è possibile utilizzare la legge di Hess per trovare un'equazione per i due percorsi.

$∆ H_{r} = Σ bond enthalpies broken in reactants - Σ bond enthalpies formed in products$

\[\Delta H = [2 (464) + 1077] - [2 (805) + 436 ] \,, \]

\[ \Delta H = - 41 \, \mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1} \,.\]

Nel prossimo esempio, non utilizzeremo un ciclo di Hess: basterà contare il numero di entalpie di legame spezzate nei reagenti e il numero di entalpie di legame formate nei prodotti. Diamo un'occhiata!

In the next example, we won't use a Hess cycle - you simply count the number of bond enthalpies broken in the reactants and the number of bond enthalpies formed in the products. Let’s have a look!

In alcuni esami potrebbe essere richiesto di calcolare il ∆H con il seguente metodo.

Calcolate l'entalpia di combustione dell'etilene mostrata di seguito, utilizzando le entalpie di legame date.

$2 C_{2} H_{2 (g)} + 5 O_{2 (g)} \to 2 H_{2} O_{(g)} + 4 {CO}_{2 (g)}$

Bond Type	Bond Enthalpy (kJ ${mol}^{- 1}$ )
C-H	+414
C=C	+839
O=O	+498
O-H	+463
C=O	+804

L'entalpia di combustione è la variazione di entalpia quando una mole di una sostanza reagisce in eccesso di ossigeno per produrre acqua e anidride carbonica.

È necessario iniziare a riscrivere l'equazione in modo da avere una mole di etilene.

$2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} \to 2 H_{2} O + 4 {CO}_{2}$

$C_{2} H_{2} + 2 \frac{1}{2} O_{2} \to H_{2} O + 2 {CO}_{2}$

Contate il numero di legami che si rompono e il numero di legami che si formano:

	Legami Rotti	Legami Formati
	2 x (C-H) = 2(414)	2 x (O-H) = 2(463)
	1 x (C=C) = 839	4 x (C=O) = 4(804)
	$2 \frac{1}{2}$ x (O=O) = $2 \frac{1}{2}$ (498)
Totale	2912	4142

Inserite i valori nell'equazione sottostante

$∆ H_{r} = Σ bond enthalpies broken in reactants - Σ bond enthalpies formed in products$

$∆ H_{r}$ = 2912 - 4142

$∆ H_{r}$ = -1230 ${kJmol}^{- 1}$

Ecco fatto! Avete calcolato la variazione entalpica della reazione! Si può capire perché questo metodo potrebbe essere più semplice rispetto all'utilizzo di un ciclo di Hess.

Forse siete curiosi di sapere come si calcola il ∆H di una reazione se alcuni dei reagenti sono in fase liquida. Dovrete trasformare il liquido in gas utilizzando quella che chiamiamo variazione entalpica di vaporizzazione.

L'entalpia di vaporizzazione ( $∆ H_{vap}$ ) è semplicemente la variazione di entalpia quando una mole di un liquido si trasforma in gas al suo punto di ebollizione.

Per capire come funziona, facciamo un calcolo in cui uno dei prodotti è un liquido.

La combustione del metano è illustrata di seguito.

${CH}_{4 (g)} + 2 O_{2 (g)} \to 2 H_{2} O_{(l)} + {CO}_{2 (g)}$

Calcolare l'entalpia di combustione utilizzando le energie di dissociazione dei legami riportate nella tabella.

Tipo di legame	Entalpia di legame
C-H	+413
O=O	+498
C=O (carbon dioxide)	+805
O-H	+464

Uno dei prodotti, H₂O, è un liquido. Dobbiamo trasformarlo in un gas prima di poter utilizzare le entalpie di legame per calcolare il ∆H. L'entalpia di vaporizzazione dell'acqua è di $ 41 \, \mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1}$.

	Legami rotti ($\mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1}$ )	Legami formati ($\mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1}$ )
	4 x (C-H) = 4(413)	4 x (O-H) = 4(464) + 2(41)
	2 x (O=O) = 2(498)	2 x (C-O) = 2(805)
Totale	2648	3548

Usare l'equazione:

$∆ H_{r}$ = ∑Entalpie di legame spezzate nei reagenti - ∑Entalpie di legame formate nei prodotti

\[\Delta H = 2648 - 3548 = - 900 \, \mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1} \]

Prima di concludere questa lezione, ecco un'ultima cosa interessante legata all'entalpia di legame. Possiamo osservare una tendenza nelle entalpia di combustione in una "serie omologa".

Una serie omologa è una famiglia di composti organici. I membri di una serie omologa condividono proprietà chimiche simili e una formula generale. Ad esempio, gli alcoli contengono un gruppo -OH nelle loro molecole e il suffisso "-ol".

Osservate la tabella sottostante. Mostra il numero di atomi di carbonio, il numero di atomi di idrogeno e l'entalpia di combustione dei membri della serie omologa degli alcolici. Riuscite a vedere uno schema?

Entalpia di legame, tendenze dell'entalpia di combustione, StudySmarter Fig. 4 - Andamento delle entalpie di combustione di una serie omologa.

Si noti un aumento costante dell'entalpia di combustione:

Il numero di atomi di carbonio nella molecola aumenta.
Il numero di atomi di idrogeno nella molecola aumenta.

Ciò è dovuto al numero di legami C e H che vengono rotti nel processo di combustione. Ogni alcol successivo della serie omologa ha un legame in più - CH₂ . Ogni legame in più - CH₂ aumenta l'entalpia di combustione di questa serie omologa di circa $650 \, \mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{-1}$ .

Questo è molto utile se si vogliono calcolare le entalpie di combustione per una serie omologa, perché si può usare un grafico per prevedere i valori! I valori calcolati dal grafico sono, in un certo senso, "migliori" dei valori sperimentali ottenuti dalla calorimetria. I valori sperimentali finiscono per essere molto più piccoli di quelli calcolati a causa di fattori quali la perdita di calore e la combustione incompleta.

Entalpia di legame, Entalpia di combustione di una serie omologa, StudySmarter Fig. 5 - Entalpia di combustione di una serie omologa, valori calcolati e sperimentali