La variazione di entalpia di una reazione è la quantità di calore assorbita o rilasciata mentre la reazione ha luogo, se avviene a pressione costante. Completi il calcolo in modi diversi a seconda della situazione specifica e delle informazioni che hai a disposizione. Per molti calcoli, la legge di Hess è l'informazione chiave che devi usare, ma se conosci l'entalpia dei prodotti e dei reagenti, il calcolo è molto più semplice.
TL; DR (troppo lungo; non letto)
Puoi calcolare le variazioni di entalpia usando la semplice formula: H = Hprodotti − Hreagenti
Definizione di entalpia
La definizione precisa di entalpia (H) è la somma dell'energia interna (U) più il prodotto della pressione (P) e del volume (V). In simboli, questo è:
H = U + PV
Una variazione di entalpia (∆H) è quindi:
H = ∆U + ∆P∆V
Dove il simbolo delta (∆) significa "cambio in". In pratica, la pressione viene mantenuta costante e l'equazione di cui sopra si mostra meglio come:
H = ∆U + P∆V
Tuttavia, per una pressione costante, la variazione di entalpia è semplicemente il calore (q) trasferito:
H = q
Se (q) è positivo, la reazione è endotermica (cioè assorbe calore dall'ambiente circostante), e se è negativa, la reazione è esotermica (cioè rilascia calore nell'ambiente circostante). L'entalpia ha unità di kJ/mol o J/mol, o in generale, energia/massa. Le equazioni di cui sopra sono realmente legate alla fisica del flusso di calore e dell'energia: la termodinamica.
Calcolo della variazione di entalpia semplice
Il modo più semplice per calcolare la variazione di entalpia utilizza l'entalpia dei prodotti e dei reagenti. Se conosci queste quantità, usa la seguente formula per calcolare la variazione complessiva:
H = Hprodotti − Hreagenti
L'aggiunta di uno ione sodio a uno ione cloruro per formare cloruro di sodio è un esempio di una reazione che puoi calcolare in questo modo. Il sodio ionico ha un'entalpia di -239,7 kJ/mol e lo ione cloruro ha un'entalpia di -167,4 kJ/mol. Il cloruro di sodio (sale da cucina) ha un'entalpia di -411 kJ/mol. Inserendo questi valori si ottiene:
∆H = −411 kJ/mol – (-239,7 kJ/mol −167,4 kJ/mol)
= -411 kJ/mol – (-407.1 kJ/mol)
= -411 kJ/mol + 407,1 kJ/mol = -3,9 kJ/mol
Quindi la formazione di sale rilascia quasi 4 kJ di energia per mole.
Entalpia delle transizioni di fase
Quando una sostanza cambia da solido a liquido, da liquido a gas o da solido a gas, ci sono entalpie specifiche coinvolte in questi cambiamenti. L'entalpia (o calore latente) di fusione descrive la transizione da solido a liquido (il contrario è meno questo valore e chiamato entalpia di fusione), l'entalpia di vaporizzazione descrive la transizione da liquido a gas (e l'opposto è la condensazione) e l'entalpia di sublimazione descrive la transizione da solido a gas (il contrario è di nuovo chiamato entalpia di condensazione).
Per l'acqua, l'entalpia di fusione è ∆Hfusione = 6,007 kJ/mol. Immagina di riscaldare il ghiaccio da 250 Kelvin fino a quando non si scioglie, quindi riscaldare l'acqua a 300 K. La variazione di entalpia per le parti riscaldanti è solo il calore richiesto, quindi puoi trovarlo usando:
H = nC∆T
Dove (n) è il numero di moli, (∆T) è la variazione di temperatura e (C) è il calore specifico. Il calore specifico del ghiaccio è 38,1 J/K mol e il calore specifico dell'acqua è 75,4 J/K mol. Quindi il calcolo avviene in poche parti. Innanzitutto, il ghiaccio deve essere riscaldato da 250 K a 273 K (cioè da -23 °C a 0 °C). Per 5 moli di ghiaccio, questo è:
H = nC∆T
= 5 mol × 38,1 J/K mol × 23 K
= 4.382 kJ
Ora moltiplica l'entalpia di fusione per il numero di moli:
H = n ∆Hfusione
= 5 mol × 6,007 kJ/mol
= 30.035 kJ
I calcoli per la vaporizzazione sono gli stessi, tranne che per l'entalpia di vaporizzazione al posto di quella di fusione. Infine, calcola la fase di riscaldamento finale (da 273 a 300 K) allo stesso modo della prima:
H = nC∆T
= 5 mol × 75,4 J/K mol × 27 K
= 10,179 kJ
Somma queste parti per trovare la variazione totale di entalpia per la reazione:
Htotale = 10,179 kJ + 30,035 kJ + 4,382 kJ
= 44.596 kJ
Legge di Hess
La legge di Hess è utile quando la reazione che stai considerando ha due o più parti e vuoi trovare la variazione complessiva dell'entalpia. Afferma che il cambiamento di entalpia per una reazione o un processo è indipendente dal percorso attraverso il quale si verifica. Ciò significa che se la reazione si trasforma sulla sostanza in un'altra, non importa se la reazione avviene in una fase (i reagenti diventano prodotti immediatamente) o se passa attraverso molti passaggi (i reagenti diventano intermediari e poi diventano prodotti), la variazione di entalpia risultante è la stessa in entrambi i casi.
Di solito aiuta a disegnare un diagramma (vedi Risorse) per aiutarti a usare questa legge. Un esempio è se inizi con sei moli di carbonio combinate con tre di idrogeno, bruciano per combinarsi con l'ossigeno come passaggio intermedio e quindi formano benzene come prodotto finale.
La legge di Hess afferma che la variazione di entalpia della reazione è la somma delle variazioni di entalpia di entrambe le parti. In questo caso la combustione di una mole di carbonio ha ∆H = -394 kJ/mol (questo avviene sei volte nella reazione), la variazione di entalpia per la combustione di una mole di idrogeno gassoso è ∆H = -286 kJ/mol (questo accade tre volte) e gli intermediari anidride carbonica e acqua diventano benzene con una variazione di entalpia di ∆H = +3,267 kJ/mol.
Prendi la somma di queste variazioni per trovare la variazione di entalpia totale, ricordando di moltiplicare ciascuna per il numero di moli necessarie nella prima fase della reazione:
Htotale = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267
= 3,267 − 2,364 - 858
= 45 kJ/mol