L’entalpia misura l’energia potenziale di un sistema, l’entropia misura l’energia cinetica o il disordine di un sistema.
L’energia del sistema è dato dall’energia potenziale (legami chimici forti e deboli), ma anche dal volume e dalla pressione. Il calore è l’energia cinetica di un sistema, non c’entra nulla con l’entalpia, ma con l’entropia.
La formula dell’entalpia: H = U x vP
dove U è l’energia interna del sistema, v il volume e P la pressione.
L’entalpia è una forma di energia e quindi si misura in Joule.
Quando avviene una reazione che libera calore, si spezzano legami fragili ma molto energetici, nei nuovi prodotti l’energia di legame diminuisce, cioè diminuisce l’entalpia.
I nuovi legami sono più solidi, ma poveri di energia.
Intanto nell’ambiente si è liberato calore, aumentando il movimento e il disordine, aumentando l’entropia.
La differenza di entalpia
Conoscere l’entalpia dei reagenti e dei prodotti non è semplice, è più facile conoscere la differenza di entalpia (ΔH) della coppia reagenti – prodotti: dH = H1-H2
ΔH < 0 è delle reazioni esotermiche o esoergoniche:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O e 802 kJ, una mole di metano libera 802kJ, il sistema perde energia.
ΔH > 0 è delle reazioni endotermiche o endoergoniche:
NH4NO3 + 27 kJ in ambiente acquoso → NH4+ e NO3-, una mole di nitrato d’ammonio assorbendo 27 kJ sgancia l’ammonio dal nitrato.
Calcolo del delta H
Ogni sostanza ha una sua entalpia di formazione a 298 °K (24,85°C) a 1,013·105 Pa (1 atm), cioè l’energia spesa per ottenere quella molecola, l’entalpia di esprime kJ/m:
Es H CaCO3: -1206, H CaO −635,09, H CH3OH: -239, H CO2: -393, H H2O: -286 kJ/m.
ΔH in una reazione di decomposizione
nella reazione di decomposizione del carbonato di calcio: CaCO3 → CaO + CO2
delta H: -1206 = -635 -393
delta H = -635 -393 +1206 = +178 kJ/m.
Il risultato è positivo quindi la reazione è endotermica.
ΔH in una combustione
Quando bruciamo qualcosa si libera del calore, esternamente è aumentata l’entropia, ma internamente è diminuita l’entalpia.
Il valore di entalpia diminuisce, noi non diciamo quanta energia è rimasta, ma quanto è diminuita, infatti parliamo di delta H, diminuisce quindi è un valore negativo, parlando di calore saranno joule, su un certo quantitativo di materia e quindi usiamo una mole.
La combustione del metanolo:
2 CH3OH+ 3 O2→ 2 CO2 + 4 H2O
Vogliamo conoscere il delta H di una mole di metanolo, quindi dobbiamo dividere tutto per 2:
CH3OH+ 3/2 O2→ CO2 + 2 H2O
Usiamo le entalpie di formazione, attenzione l’O2 ha entalpia zero:
delta H: -239 = -393 + 2 x -286
delta H: -726 kJ/m.
Il risultato è negativo quindi la reazione è esotermica: ogni volta che brucia una mole di metanolo si liberano nell’ambiente 726 kJ.
Calcola il calore liberato da 100 grammi di metanolo
Calcola le moli contenute in 100 gr e moltiplica per l’energia liberata da ogni mole:
100g / (12+4+16) = 3,125 moli x 726 kJ = 2268 kJ.
Se volessi convertire in calorie: 2268 kJ / 4,18 = 543 kcal.
Esercizi con il ΔH di combustione
1: Bruciando 1 grammo di metano CH4 si libera 55,5 KJ/g di calore (ΔH), qual’è il ΔH molare di combustione di una mole di metano ?
Calcolo dell’energia liberata da una mole di CH4, sapendo che una mole pesa 16 grammi.
55,5 : 1 = X : 16
X = 55,5 X 16 = 890 KJ/mol
2: una mole di metano libera 890 KJ (ΔH), quanto metano è necessario per alzare la temperatura di 1 litro d’acqua da 25 a 100 °C ?
Calcolo il calore di reazione: Q = m x cs x ΔT,
il calore specifico cs dell’acqua è 4,18 J/g, ΔT è 75°C,
quindi il calore necessario Q = 1000 x 4,18 x 75 = 313,5 kJ.
Calcolo del metano necessario: 313,5 / 890 = 0,35 moli, cioè 0,35 x 16 = 5,6 grammi.
Calcolo del ΔH con l’energia di legame
Calcolo del ΔH utilizzando l’energia di legame, di ogni molecola bisogna conoscere l’energia di legame.
Es. calcolo il ΔH di formazione dell’acido cloridrico:
La reazione: H2 + Cl2 → 2 HCl
L’energia di legame molecolare:
H2: 436, Cl2: 242, HCl 432 kJ/mol
delta H = energia di legame fornita – energia di legame ottenuta =
(436 + 242) – 2 x 432 = -186 kJ/ 2 mol = -93 kJ/mol.
è una reazione esotermica.
Es. calcolo il ΔH di formazione dell’ammoniaca:
La reazione: 3/2 H2 + 1/2 N2 → NH3
Entalpia di vaporizzazione
Studiamo il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore di qualunque sostanza.
Il calore dato per realizzare il cambio di stato non influisce sulla temperatura.
La temperatura è quella propria di ebollizione della sostanza presa in esame.
Il calore dato si esprime in kJ/mol alla condizione di 1 atm.
Per l’acqua l’entalpia di vaporizzazione è di 40.7 kJ/mol.
Es.3: Ho 1 litro d’acqua a 100 °C, quanto metano mi serve per farlo evaporare ?
le moli di 1000 gr di acqua / 18 = 55,5,
il ΔH di vaporizzazione di 1 litro d’acqua: 55,5 x 40,7 = 2259 kJ.
1 grammo di metano si libera 55,5 KJ/g di calore (ΔH CH4)
Ora divido 2259 kJ / ΔH del metano 55,5 = 40,7 gr.
Per alzare un litro d’acqua da 25 a 100 °C ho bruciato 5,6 grammi (vedi es.2), ma per farlo evaporare altri 40,7 grammi di metano (vedi es.3).
L’attivazione di una reazione chimica …
Tabella Entalpia di formazione standard: delta H (kJ/mol)
Al2O3(s) ossido di alluminio −1675,7
C(s) carbonio diamante +1,90
CH4(g) metano −74,81
C2H2(g) etino (acetilene) +226,73
C2H4(g) etene (etilene) +52,26
C2H6(g) etano −84,68
C3H6(g) propene +20,0
C3H8(g) propano −103,85
C4H8(g) 1-butene −0,1
C4H8(g) cis-2-butene −7,0
C4H8(g) trans-2-butene −11,9
C4H10(g) butano −126,15
C6H6(l) benzene +49,0
C8H18(l) ottano −249,9
CH3OH(l) metanolo −238,66
C2H5OH(l) etanolo −277,69
C6H12O6(s) glucosio −1268
C6H12O6(s) fruttosio −1266
C12H22O11(s) saccarosio −2222
CO(g) ossido di carbonio −110,53
CO2(g) diossido di carbonio −393,51
CO(NH2)2(s) urea −333,51
CaCO3(s) carbonato di calcio −1207
CaO(s) ossido di calcio −635,09
Ca3(PO4)2(s) fosfato di calcio −4137,5
CaSiO3(s) silicato di calcio −1584,1
CuSO4(s) solfato rameico −771,36
Fe2O3(s) ossido ferrico −824,2
HF(g) acido fluoridrico +271,1
HBr(g) acido bromidrico −36,40
HCl(g) acido cloridrico −92,31
HCl(aq) acido cloridrico −167,16
HI(g) acido iodidrico +26,48
HNO3(l) acido nitrico −174,10
H2O(g) acqua −241,82
H2O(l) acqua −285,83
H2O2(l) perossido di idrogeno −187,78
H2S(g) acido solfidrico −20,63
H2SO4(l) acido solforico −813,99
H2SO4(aq) acido solforico −909,27
KCl(s) cloruro di potassio −436,75
KOH(s) idrossido di potassio −424,76
MgO(s) ossido di magnesio −601,70
NH3(g) ammoniaca −46,11
NH3(aq) ammoniaca −80,29
NH4Cl(s) cloruro di ammonio −314,43
NH4Cl(aq) cloruro di ammonio −300,24
NH4NO3(s) nitrato di ammonio −365,56
NO(g) ossido di azoto +90,25
NO2(g) diossido di azoto +33,18
N2O4(g) ipoazotide +9,16
Na2CO3(s) carbonato di sodio −1130,9
NaCl(s) cloruro di sodio −411,15
NaCl(aq) cloruro di sodio −407,11
NaOH(s) idrossido di sodio −425,61
NaOH(aq) idrossido di sodio −469,60
O(g) ossigeno atomico +249,17
O3(g) ozono +142,70
P4(g) fosforo +54,89
SO2(g) diossido di zolfo −296,83
SO3(g) triossido di zolfo −395,72
SiO2(s) diossido di silicio −910,9
Tabella Entalpia di legame H (kJ/mol)
Idrogeno:
H – H 436,
andando verso destra aumenta: H – C 413, H – N 391, H – O 463,
Il legame gli alogeni con l’idrogeno è più energetico che con il carbonio:
andando verso il basso diminuisce H – F 567, H – Cl 431, H – Br 366, H – I 299.
Carbonio:
C – C 348,
doppi C = C 614, C = N 615, C = O 799,
e tripli: C ≡ C 839, C ≡ N 891, C ≡ O 1012,
C – S 259,
andando verso destra aumenta: C – N 293, C – O 358, C – F 485;
andando verso il basso diminuisce C – F 485, C – Cl 328, C – Br 276, C – I 240.
Azoto:
N – N 163, N = N 418, N ≡ N 941,
N – O 201
N – F 272, N – Cl 200, N – Br 243.
Ossigeno:
O – O 198, O = O 495,
andando verso il basso invece sale O – F 190, O – Cl 203, O – I 234.