Hai mai posseduto uno scaldamani riutilizzabile? Hanno due componenti chiave: un disco metallico che si trova all'interno di una soluzione supersatura di acetato di sodio (NaC2H3O2). Quando pieghiamo il disco, inneschiamo una reazione di cristallizzazione che rilascia energia termica nell'ambiente circostante, riscaldando le mani. Ma questi prodotti non sono monouso. Riscaldando lo scaldamani gli si fornisce energia termica, facendo sì che i cristalli di acetato di sodio si ridisciolgano in soluzione e che possa essere utilizzato più volte. Il trasferimento di energia termica tra un sistema e l'ambiente circostante è noto come variazione entalpica.
- In questo articolo imparerai tutto sulle variazioni entalpiche.
- Inizieremo con la definizione di entalpia e di variazione entalpica, per poi scoprire come la variazione entalpica sia correlata alle reazioni endotermiche ed esotermiche.
- Impareremo poi a interpretare i diagrammi entalpici.
- Successivamente, esamineremo le variazioni entalpiche standard, comprese le entalpie standard di reazione, formazione, combustione e neutralizzazione.
- Infine, esploreremo come si calcola la variazione di entalpia utilizzando gli esperimenti di calorimetria, la formula q = mc∆T e la legge di Hess.
Cambiamenti entalpici
Tutti i sistemi chimici contengono energia. Questa energia interna viene chiamata entalpia.
L'entalpia (H) è una misura dell'energia all'interno di un sistema. È la somma della sua energia interna e del prodotto della sua pressione e del suo volume. L'entalpia ha le unità di misura J mol-1 o kJ mol-1.
Tuttavia, non possiamo misurare direttamente l'entalpia. Questo perché alcuni dei suoi componenti non sono facilmente quantificabili o accessibili. Tuttavia, possiamo misurare la variazione di entalpia.
La variazione di entalpia (∆H) è la quantità di energia termica trasferita durante una reazione chimica a pressione costante. Misuriamo la variazione di entalpia anche in J mol-1 o kJ mol-1.
Ogni volta che una reazione chimica avviene a pressione costante, l'energia termica viene assorbita o rilasciata e quindi si verifica una variazione di entalpia. Questo trasferimento di energia termica modifica l'entalpia totale di un sistema. Esistono termini diversi per le reazioni, a seconda che assorbano o rilascino energia; vediamoli ora.
Variazione di entalpia: reazioni endotermiche ed esotermiche
Come abbiamo imparato, le reazioni chimiche che avvengono a pressione costante comportano una variazione di entalpia. Ciò significa che c'è un trasferimento di energia termica verso o dall'ambiente circostante. In generale, l'energia termica viene assorbita o rilasciata.
- Quando una reazione assorbe energia, la sua entalpia totale aumenta. Si tratta di una variazione entalpica positiva, nota come reazione endotermica. In generale, la temperatura dell'ambiente circostante diminuisce.
- Quando una reazione rilascia energia, la sua entalpia totale diminuisce. Si tratta di una variazione entalpica negativa, nota come reazione esotermica. In generale, la temperatura dell'ambiente circostante aumenta.
Ecco alcuni esempi quotidiani di reazioni endotermiche ed esotermiche:
- La fotosintesi è una reazione endotermica, in cui le piante utilizzano l'energia del sole per produrre zuccheri essenziali.
- Questi zuccheri vengono poi scomposti da (quasi tutti) dagli organismi viventi nella respirazione, una reazione esotermica che libera energia sotto forma di ATP. L'ATP agisce come una moneta molecolare per tutti i tipi di processi: viene usato per costruire nuovi tessuti e per alimentare le nostre cellule.
- Ogni volta che si prepara qualcosa, che si tratti di una torta o di una pagnotta di pane fresco, spesso si forma una crosta dorata sulla parte esterna della delizia. Questa crosta è causata da una reazione endotermica tra aminoacidi e zuccheri riducenti, nota come reazione di Maillard. La reazione di Maillard è responsabile della doratura degli alimenti: la pelle croccante di un pollo arrosto, la parte superiore caramellata di una creme brulee e i segni neri della piastra sulla bistecca scottata.
- La combustione di combustibili, come il carbone o il legno, rilascia energia termica ed è quindi una reazione esotermica. Il calore rilasciato durante la combustione non solo può essere utilizzato direttamente per riscaldare le nostre case, ma può anche essere trasformato in energia elettrica per alimentare luci, televisori e centrali elettriche.
- È opinione diffusa che il nostro universo sia iniziato quasi 14 miliardi di anni fa con una massiccia espansione nota come Big Bang. Inizialmente, questo evento ha prodotto solo idrogeno, elio e tracce di litio e berillio. Tutti gli altri elementi che conosciamo oggi sono stati creati in reazioni di fusione nucleare endotermica, che hanno combinato elementi più leggeri per ottenere elementi più pesanti.
Variazioni di entalpia: diagrammi entalpici
È facile capire la differenza tra reazioni esotermiche ed endotermiche illustrandole con i profili di reazione o i diagrammi entalpici. Questi diagrammi mostrano i livelli di entalpia relativi dei reagenti e dei prodotti nelle reazioni esotermiche ed endotermiche e indicano quindi la variazione di entalpia complessiva della reazione.
Figura 1: Diagrammi di entalpia per reazioni esotermiche ed endotermiche.
L'asse delle ordinate mostra l'entalpia, mentre l'asse delle ascisse indica l'entità della reazione. Le linee tratteggiate indicano i livelli di entalpia dei reagenti e dei prodotti. La differenza tra i livelli è la variazione di entalpia (∆H) quando i reagenti si trasformano in prodotti. Quali differenze si possono notare tra reazioni endotermiche ed esotermiche?
Nelle reazioni endotermiche, i prodotti hanno un'entalpia superiore a quella dei reagenti.
Nelle reazioni esotermiche, i prodotti hanno un'entalpia inferiore a quella dei reagenti.
Le reazioni endotermiche hanno un ∆H positivo, mentre quelle esotermiche hanno un ∆H negativo.
Percorsi di reazione
I profili di reazione mostrano la variazione entalpica complessiva di una reazione. Vediamo l'entalpia relativa dei reagenti e l'entalpia relativa dei prodotti, ma nulla nel mezzo. Tuttavia, cosa succede se vogliamo osservare l'entalpia relativa di un sistema in diversi punti della reazione? A questo scopo, possiamo disegnare un percorso di reazione. Questo è un tipo di profilo di reazione più dettagliato. Non mostra solo l'entalpia all'inizio e alla fine di una reazione, ma anche durante tutto il processo di reazione. Ad esempio, si può vedere come cambia l'entalpia quando i legami si rompono nei reagenti e si formano nei prodotti.
Si disegna un percorso di reazione su assi simili a quelli utilizzati nei diagrammi entalpici precedenti. Tuttavia, invece di frecce dritte verso l'alto o verso il basso, si usa una linea curva per mostrare la variazione di entalpia man mano che la reazione procede.
Ecco un esempio di percorso di reazione.
Figura 2: Profilo reazione esotermica.
Si può notare che i prodotti hanno un'entalpia inferiore a quella dei reagenti. Ciò significa che il profilo di reazione mostra una reazione esotermica. Cos'altro noti?
- L'entalpia nel percorso di reazione aumenta con la rottura dei legami nei reagenti.
- L'entalpia raggiunge quindi un picco. In questo picco, dove la curva raggiunge il suo punto più alto, la quantità di entalpia nella reazione è massima. Questo è noto come stato di transizione. Rappresenta il punto della reazione in cui i nuovi legami sono per metà creati e i vecchi legami sono per metà rotti.
- L'entalpia diminuisce man mano che si formano nuovi legami per ottenere i prodotti.
- La quantità di energia necessaria per rompere i legami e raggiungere lo stato di transizione è inferiore alla quantità di energia rilasciata durante la formazione dei nuovi legami.
La quantità di energia tra il livello dei reagenti e lo stato di transizione è chiamata energia di attivazione.
L'energia di attivazione è la quantità minima di energia necessaria per far avvenire una reazione.
In parole povere, l'energia di attivazione è la minima quantità di energia necessaria per portare i reagenti allo stato di transizione. Senza questa energia, la reazione non può avvenire.
Ecco un esempio di profilo di reazione endotermica.
Figura 3: Profilo reazione endotermica.
Per certi versi, un percorso di reazione endotermico sembra l'opposto di un percorso di reazione esotermico. In questo caso, i prodotti hanno un'entalpia superiore a quella dei reagenti. Ma notate le somiglianze tra i due.
- L'entalpia nel percorso di reazione aumenta con la rottura dei legami nei reagenti.
- L'entalpia raggiunge quindi un picco allo stato di transizione.
- L'entalpia diminuisce quando si formano nuovi legami per ottenere i prodotti.
- La quantità di energia necessaria per rompere i legami e raggiungere lo stato di transizione è maggiore della quantità di energia rilasciata quando si formano nuovi legami.
Abbiamo ancora bisogno di energia di attivazione per far partire la reazione e raggiungere lo stato di transizione. Senza questa energia di attivazione, la reazione non ha luogo. Una volta che la reazione raggiunge lo stato di transizione, l'entalpia diminuisce quando si formano i nuovi legami per ottenere i prodotti.
Variazioni di entalpia standard
La variazione di entalpia di una particolare reazione dovrebbe essere sempre la stessa se viene eseguita nelle stesse condizioni. Questo significa che possiamo creare un database di variazioni entalpiche accurate per reazioni specifiche. Per garantire la continuità, eseguiamo le reazioni alla stessa temperatura, pressione e concentrazione, per ottenere variazioni entalpiche standard.
Le variazioni di entalpia standard sono variazioni di entalpia misurate in condizioni standard con i reagenti e i prodotti nei loro stati standard. Le rappresentiamo con il simbolo ∆Hº.
Cosa sono le condizioni standard? Sono definite come:
Temperatura di 298 K (o 25 ºC).
Pressione di 100kPa (o 1 bar).
In caso di soluzioni, una concentrazione di 1.00 mol dm-3.
E gli stati standard? È semplice: Lo stato standard di una specie è semplicemente il suo stato fisico in condizioni standard. Ad esempio, nelle condizioni standard di 298 K e 100 kPa, l'ossigeno (O2) è un gas. Ciò significa che il suo stato standard è gassoso.
Alcune commissioni d'esame definiscono la componente di pressione delle condizioni standard come 1 atm. Verifica la tua commisione per sapere quale definizione devi conoscere.
Tipi di variazioni standard di entalpia
Naturalmente, è possibile misurare le variazioni entalpiche in qualsiasi condizione, non solo in quelle standard. Tuttavia, l'utilizzo di variazioni entalpiche standard rende molto più facile confrontare le variazioni entalpiche di diverse reazioni ed eseguire calcoli che coinvolgono l'entalpia.
Per gli esami, è necessario conoscere alcuni tipi diversi di variazioni entalpiche standard. Poi, nell'articolo sulla legge di Hess, imparerete come utilizzare queste variazioni entalpiche standard in calcoli entalpici più complicati. Le variazioni di entalpia che prenderemo in considerazione sono:
Variazione entalpica standard della reazione.
Variazione entalpica standard della combustione.
Variazione entalpica standard di formazione.
Variazione entalpica standard di neutralizzazione.
Spesso omettiamo la parola variazione da tutti questi termini, per renderli un po' più brevi. Quindi, invece di dire variazione entalpica standard di reazione, si potrebbe semplicemente dire entalpia standard di reazione.
Entalpia standard di reazione
La variazione entalpica standard di reazione (∆rHº) è la variazione entalpica quando i reagenti formano i prodotti nelle quantità indicate nell'equazione chimica bilanciata, in condizioni standard e con tutte le specie nei loro stati standard.
La variazione entalpica standard di reazione è un termine generico per indicare qualsiasi variazione entalpica che accompagna un'equazione chimica. Spesso la si vede scritta semplicemente come ∆Hº - il pedice r è implicito. Le altre entalpie standard che analizzeremo oggi sono tutte variazioni entalpiche di reazione standard per tipi specifici di reazioni, come le reazioni di combustione e di neutralizzazione.
Tieni presente che la variazione entalpica standard di reazione dipende dai coefficienti molari della reazione chimica. Se si raddoppiano tutti i coefficienti di reazione, si raddoppia il valore della variazione entalpica standard di reazione.
Una mole di CaO reagisce con una mole di acqua in condizioni standard. L'entalpia del sistema diminuisce di 63,7 kJ mol-1 .
- Scrivi un'equazione per questa reazione, indicando la variazione entalpica standard della reazione.
- Scrivi un'equazione per l'analoga reazione tra tre moli di CaO e tre moli di acqua in condizioni standard. Anche in questo caso, indicare la variazione entalpica standard della reazione.
Poiché questa reazione avviene in condizioni standard, sappiamo che si tratta di una variazione entalpica standard. In questo caso, l'entalpia diminuisce e quindi la variazione entalpica standard della reazione è negativa. Ecco la risposta:
CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(s) Δ∘H = -63,7 kJ mol-1
Per trovare un'equazione per la reazione nella parte b, è sufficiente moltiplicare la prima equazione per tre. Per trovare l'entalpia standard di reazione per questa seconda reazione, basta moltiplicare per tre anche la prima entalpia standard di reazione.
3CaO(s) + 3H2O(l) → 3Ca(OH)2(s)Δ∘H = -191,1 kJ mol-1
Entalpia standard di formazione
La variazione entalpica standard di formazione (∆fH°) è la variazione entalpica quando una mole di una specie si forma dai suoi elementi, in condizioni standard e con tutte le specie nei loro stati standard.
Ci sono alcune cose importanti da notare sulle entalpie di formazione standard:
- Come abbiamo detto, i valori di ∆fHº si riferiscono alla formazione di una sola mole di una specie. Ciò potrebbe significare che è necessario utilizzare coefficienti molari frazionari per le altre specie coinvolte nell'equazione bilanciata. Questo va benissimo!
- Diciamo che il valoredi ∆fHº per qualsiasi elemento allo stato standard è 0,0 kJ mol-1. Quindi misuriamo i valori ∆fHº di vari composti a partire da questa linea di base.
La produzione di due moli di CaCO3 aumenta l'entalpia del sistema di 105,0 kJ mol-1 . Scrivere un'equazione che mostri la variazione entalpica standard di formazione del CaCO3.
Ebbene, per formare due moli di CaCO3 in condizioni standard e con tutti gli elementi nei loro stati standard, abbiamo bisogno di due moli di Ca, due moli di C e tre moli di O2. La domanda ci dice che questa reazione ha una variazione entalpica di +105,0 kJ mol-1 :
2Ca(s) + 2C(s) + 3O2(g) → 2CaCO3(s) ΔH∘ = +105.0 kJ mol−1
Tuttavia, per definizione, le variazioni entalpiche di formazione standard producono solo una mole di una specie. Nell'equazione precedente ne abbiamo prodotte due. Pertanto, dobbiamo dimezzare sia l'equazione di reazione bilanciata sia la variazione entalpica della reazione per trovare un'equazione e un valore per la variazione entalpica standard di formazione del CaCO3:
Ca(s) + C(s) + 3O2(g) → CaCO3(s) ΔH∘ = +52.5 kJ mol−1
Gli scienziati hanno calcolato le entalpie standard di formazione (∆fH°) per molti composti. Le troverete su una tabella entalpica nel vostro esame; vi torneranno utili nei successivi calcoli della variazione di entalpia.
Entalpia standard di combustione
La variazione entalpica standard della combustione (∆cH°) è la variazione entalpica quando una mole di una sostanza brucia completamente in ossigeno in condizioni standard con tutte le specie nei loro stati standard.
Si noti che tutte le reazioni di combustione sono esotermiche. Ciò significa che non troverete mai un'entalpia standard di combustione positiva: dovrebbero essere tutte negative!
La maggior parte degli idrocarburi, come il metano (mostrato nell'esempio seguente), ha valori di ∆cHº elevati. Ciò significa che rilasciano molta energia quando vengono bruciati e quindi sono ottimi combustibili. È possibile osservare una chiara tendenza nei valori di ∆cHº all'interno delle famiglie di idrocarburi organici. Ad esempio, l'entalpia standard di combustione degli alcani aumenta di circa 650 kJ mol-1 quando si aggiunge un gruppo -CH2 alla catena di carbonio.
L'equazione per l'entalpia standard di combustione del metano è riportata di seguito:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + H2O(l) ΔcH∘= −890 kJ mol−1
Entalpia standard di neutralizzazione
La variazione entalpica standard di neutralizzazione (∆nH°) è la variazione entalpica quando una soluzione acida e una soluzione alcalina reagiscono in condizioni standard per formare una mole di acqua.
Come le entalpie standard di combustione, anche le entalpie standard di neutralizzazione sono esotermiche e quindi sempre negative. Si noti inoltre che questi valori si riferiscono alla produzione di una mole di acqua. Ciò significa che potrebbe essere necessario includere i coefficienti molari frazionari nella risposta. Tuttavia, bisogna tenere presente che l'acido e l'alcali non sono in uno stato standard, ma in soluzione: il loro stato è (aq).
Ecco l'entalpia standard di neutralizzazione per la reazione tra HCl(aq) e NaOH(aq):
HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq) ΔnH∘= −57.1 kJ mol−1
In condizioni standard, tutte le reazioni tra un acido forte e una base forte hanno valori di ∆nH° simili. Questo valore è solitamente compreso tra -57 e -58 kJ mol-1 . Le reazioni acido forte-base forte si riducono essenzialmente a una reazione tra ioni idrogeno e ioni idrossido, che ha sempre la stessa variazione entalpica. Gli altri ioni che compongono l'acido o la base sono solo ioni spettatori e quindi non vengono coinvolti.
Entalpia di reazione: misura e formula
Sappiamo cosa sono le variazioni di entalpia. Ma come le troviamo?
Esistono due modi per calcolare la variazione entalpica di una reazione. Entrambi sono associati a un certo metodo e a una formula specifica.
- Possiamo determinare sperimentalmente la variazione di entalpia utilizzando la calorimetria.
- Possiamo calcolare la variazione di entalpia in modo teorico utilizzando la legge di Hess.
Per cominciare, consideriamo la calorimetria.
Calorimetria
La calorimetria è una tecnica utilizzata per misurare il trasferimento di calore in una reazione chimica. È un modo per calcolare la variazione di entalpia.
La calorimetria, come definita sopra, è il primo metodo di misurazione della variazione di entalpia. Il principio è semplice:
- Eseguiamo una reazione chimica e registriamo la variazione di temperatura della soluzione o di un mezzo circostante, in genere l'acqua.
- Utilizziamo la variazione di temperatura, la massa e la capacità termica specifica della soluzione o del mezzo circostante per calcolare la quantità di energia termica rilasciata o assorbita durante la reazione chimica.
- L'energia termica trasferita viene quindi convertita in variazione di entalpia.
Esperimento di calorimetria
Possiamo usare la calorimetria per approssimare molti tipi diversi di variazioni di entalpia per molte reazioni chimiche diverse. L'esperimento di calorimetria varia a seconda del tipo di reazione in corso. Potreste praticare alcuni di questi esperimenti in classe. Ad esempio, si può bruciare dell'etanolo sotto un becker d'acqua e misurare la variazione di temperatura dell'acqua. Questo vi aiuterà a trovare il valore dell'entalpia di combustione dell'etanolo. Si può anche far reagire 1,00 mol dm-3 di H2SO4 con 1,00 mol dm-3 di NaOH e misurare la variazione di temperatura della soluzione stessa. Questo vi aiuterà a trovare un valore per l'entalpia di neutralizzazione.
Figura 4: Un semplice calorimetro che può essere utilizzato per trovare le entalpie di neutralizzazione.
Tuttavia, le variazioni di entalpia calcolate con la calorimetria sono solo approssimazioni. Anche i migliori esperimenti di calorimetria includono molteplici fonti di errore, molte delle quali sono difficili da minimizzare. Qualunque sia il vostro metodo, è importante ricordare i limiti della calorimetria e le misure da adottare per rendere i risultati il più possibile riproducibili, affidabili e accurati:
- Le variazioni di entalpia rilevate con la calorimetria spesso non sono molto accurate. Ciò è dovuto principalmente a errori di misurazione, reazioni incomplete e, più spesso, alla perdita di calore nell'ambiente circostante.
- Possiamo ridurre al minimo la perdita di calore isolando il mezzo circostante, utilizzando un paravento (per gli esperimenti di combustione) e aggiungendo un coperchio al sistema. Nel diagramma qui sopra si vede la tazza di polistirolo, utilizzata per isolare la miscela di reazione.
Esplora gli esperimenti di calorimetria in modo più dettagliato nell'articolo Calorimetria. Questo articolo approfondisce i diversi metodi di calorimetria e include ulteriori informazioni sui loro limiti.
Determinare le variazioni di entalpia
Una volta eseguito l'esperimento di calorimetria, si utilizzano i dati per calcolare l'energia termica trasferita durante la reazione con una semplice formula. Questa formula mette in relazione il trasferimento di energia termica con la variazione di temperatura, massa e capacità termica specifica della soluzione o del mezzo circostante riscaldato:
q = m c ΔT
Dove:
- q è l'energia trasferita, in joule (J).
- m è la massa del mezzo circostante, in grammi (g).
- c è la capacità termica specifica del mezzo circostante, espressa in joule per Kelvin o joule per gradi Celsius (J K-1 o J ºC-1).
- ΔT è la variazione di temperatura del mezzo circostante, in Kelvin (K) o gradi Celsius (ºC).
Possiamo misurare la variazione di temperatura in Kelvin o in ºC. Questo perché una variazione di 1 Kelvin equivale a una variazione di 1 ºC.
Si calcola quindi la variazione di entalpia. Le sue unità di misura (kJ mol-1) ci danno un indizio su come trovare questo valore dalla quantità di energia termica trasferita.
- È necessario innanzitutto cambiare l'unità di misura del valore dell'energia termica trasferita da joule (J) a kilojoule (kJ).
- Si scrive quindi un'equazione bilanciata per la reazione al fine di determinare il tipo di variazione entalpica che si vuole scoprire.
- Successivamente, si utilizzano varie informazioni, come il numero di moli di ciascuna specie che ha reagito e l'equazione di reazione bilanciata, per calcolare la variazione di entalpia.
- Infine, si deve dedurre se la reazione era endotermica o esotermica, e quindi se la variazione entalpica è positiva o negativa. Se la reazione era esotermica, si aggiunge un segno meno alla variazione entalpica.
Ricordate che le reazioni endotermiche assorbono energia termica. Si tratta di una variazione entalpica positiva che fa diminuire la temperatura dell'ambiente circostante. Le reazioni esotermiche, invece, rilasciano energia termica. Si tratta di una variazione entalpica negativa che provoca un aumento della temperatura dell'ambiente circostante.
Provate a calcolare la variazione di entalpia con l'aiuto dell'esempio seguente.
0,068 moli di ioduro di potassio si dissolvono in 48 g di acqua, con una diminuzione della temperatura di 14,8 ºC. Calcolare la variazione di entalpia di reazione per questa dissoluzione in kJ mol-1. L'acqua ha una capacità termica specifica di 4,48 J g-1 K-1 .
In primo luogo, utilizziamo l'equazione q=mcΔT per calcolare la quantità di energia termica trasferita durante la reazione. Qui, m = 48, c = 4.48, and ΔT = 14.8:
q = 48 × 4.48 × 14.8; q = 3182.6 J
Trasformiamo questo valore in kJ dividendolo per 1000:
3182.6 ÷ 1000 = 3.1826 kJ
Scriviamo ora un'equazione bilanciata per questa reazione:
KI(s) → K +(aq) +I−(aq)
Sappiamo che le variazioni entalpiche di reazione si misurano in base alle quantità indicate nell'equazione chimica bilanciata. In questo caso, l'equazione presenta una sola mole di KI e quindi dobbiamo calcolare la variazione di entalpia per mole di KI. Abbiamo sciolto solo 0,068 moli di KI, con un trasferimento di 3,1826 kJ di energia termica. Pertanto, sciogliendo 1 mole di KI si ottiene un trasferimento di 3,1826÷0,068 kJ di energia:
3.1826 ÷ 0.068 = 46.8 kJ
Questa reazione è endotermica: la temperatura dell'ambiente circostante diminuisce. Ciò significa che la variazione di entalpia della reazione è positiva. Pertanto, la nostra risposta finale è +46,8 kJ mol-1.
I calcoli calorimetrici entrano da un orecchio e escono dall'altro? Ulteriori esempi di utilizzo della calorimetria per calcolare la variazione di entalpia sono riportati in Misura Delle Variazioni di Entalpia.
Legge di Hess
Per alcune reazioni, il calcolo della variazione di entalpia mediante la calorimetria può essere un po' complicato. Forse le quantità di reagenti utilizzate sono semplicemente troppo piccole per essere misurate con precisione. Potreste anche non avere tutti i reagenti e voler trovare la variazione entalpica solo in via ipotetica. Fortunatamente, non è necessario eseguire esperimenti di calorimetria ogni volta che si vuole conoscere una nuova variazione entalpica. È invece possibile calcolare un valore teorico utilizzando variazioni entalpiche già determinate scientificamente, sfruttando la legge di Hess.
La legge di Hess afferma che la variazione di entalpia di una reazione chimica è sempre la stessa, indipendentemente dal percorso seguito dai reagenti ai prodotti.
Ad esempio, cosa succede se vogliamo creare il prodotto B dal reagente A? Possiamo farlo in un solo passaggio:
A→B ΔH1
Tuttavia, possiamo anche farlo in più fasi:
A→XΔ H2X → YΔH3Y →BΔH4
In entrambi i casi, siamo partiti dallo stesso reagente (A) e abbiamo ottenuto lo stesso prodotto (B). L'unica differenza era il percorso seguito per arrivare dall'uno all'altro: il primo percorso ci portava direttamente da A a B, mentre il secondo ci portava attraverso alcuni intermedi. La legge di Hess ci dice che le variazioni di entalpia di questi due percorsi sono uguali. Pertanto, possiamo trovare la variazione entalpica del primo percorso sommando tutte le variazioni entalpiche del secondo percorso:
ΔH1 = ΔH2 + ΔH3 + ΔH4
Per una spiegazione completa di questa idea, si rimanda alla Legge di Hess, con esempi pratici per molti tipi diversi di variazione entalpica.
Variazione di entalpia - Punti chiave
- L'entalpia (H) è una misura della quantità di energia termica (calore) in un sistema chimico. Si misura in J mol-1 o kJ mol-1.
- La variazione di entalpia (∆H) è la quantità di energia termica trasferita durante una reazione chimica a pressione costante. Si misura anche in J mol-1 or kJ mol-1.
- Le reazioni possono essere endotermiche o esotermiche.
- Le reazioni endotermiche assorbono energia termica. Hanno una variazione entalpica positiva e diminuiscono la temperatura dell'ambiente circostante.
- Le reazioni esotermiche rilasciano energia. Hanno una variazione entalpica negativa e aumentano la temperatura dell'ambiente circostante.
- Per mostrare la variazione di entalpia di una reazione possiamo utilizzare i diagrammi entalpici e i percorsi di reazione. Questi diagrammi mostrano i livelli di entalpia relativi dei reagenti e dei prodotti.
- Le variazioni entalpiche standard (ΔH°) sono variazioni entalpiche misurate in condizioni standard e con tutte le specie nei loro stati standard.
- Le condizioni standard sono definite come una temperatura di 25ºC o 298K, una pressione di 1 bar o 100kPa e una concentrazione di 1,00 mol dm-3 .
- Lo stato standard è lo stato fisico di una specie in condizioni standard.
- Possiamo calcolare le variazioni di entalpia utilizzando gli esperimenti di calorimetria e la legge di Hess.
- La calorimetria è una tecnica utilizzata per misurare il trasferimento di energia termica in una reazione chimica. Si calcola il trasferimento di energia termica con l'equazione q=mcΔT e si utilizza questo valore per calcolare la variazione di entalpia.
- La legge di Hess stabilisce che la variazione di entalpia di una reazione chimica è sempre la stessa, indipendentemente dal percorso seguito dai reagenti ai prodotti. Utilizziamo le variazioni di entalpia scientificamente verificate che conosciamo per calcolare le variazioni di entalpia che non conosciamo.
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