Energia dei legami covalenti: esercizi

Il legame covalente è dovuto alla condivisione di una o più coppie di elettroni tra gli atomi e la forza di un legame covalente è data dall’energia necessaria per rompere il legame. Quanto più forte è un legame tanto maggiore è l’energia richiesta per romperlo e ottenere i singoli atomi.

L’energia necessaria per rompere un determinato legame in una mole di molecole allo stato gassoso  detta,  per una molecola biatomica D_X-Y, è definita come la variazione di entalpia standard per la reazione:
XY_(g)→ X_(g) + Y_(g) in cui D_X-Y = ΔH°

Energia di legame

Ad esempio l’energia di legame per la molecola di H₂ è pari a 463 kJ/mol e pertanto D_H-H = 463 kJ/mol

La dissociazione dell’idrogeno in elementi:
H_2(g) → 2 H_(g)
Se riferita a una mole richiede una energia di 463 kJ

Nelle molecole in cui sono presenti almeno tre legami la somma di tutte le energie di legame è pari alla variazione di entalpia dovuta alla rottura di tutti i legami. Ad esempio per trasformare la molecola di metano nei suoi elementi secondo la reazione:

CH_4(g)→ C_(s) + 4 H_(g)

si devono rompere i quattro legami carbonio-idrogeno. Poiché l’energia di legame D_C-H = 415 kJ/mol occorrerà una energia pari a  4 · 415 kJ/mol = 1660 kJ/mol.

La variazione di entalpia di una reazione è pari alla differenza tra la somma delle energie richieste per rompere i legami e l’energia richiesta per formarli:
ΔH = Σ D_{legami rotti} – D_{legami formati}

Tuttavia poiché i valori di D sono dati da valori medi per un certo tipo di legame presente in tutte le molecole questo calcolo fornisce una approssimazione piuttosto che il valore esatto dell’entalpia di reazione.

Esercizi

• Calcolare l’entalpia della reazione: H_2(g) + Cl_2(g)→ 2 HCl_(g)

Dai dati termodinamici le energie di legame sono:

H-H = 436 kJ/mol
Cl-Cl = 243 kJ/mol
H-Cl = 432 kJ/mol

ΔH = 436 kJ/mol + 243 kJ/mol – 2(432 kJ/mol) = – 185 kJ/mol

Poiché i legami presenti nei prodotti sono più forti rispetto a quelli dei reagenti la reazione rilascia più energia di quella che consuma; l’eccesso  è rilasciato sotto forma di calore e ciò implica che la reazione è esotermica

• Calcolare l’entalpia della reazione: CO_(g) + 2 H_2(g) → CH₃OH_(g)

Se non sono forniti i dati termodinamici e occorre ricercarli dalle tabelle è necessario tener presente le dei reagenti e dei prodotti.

Nella molecola di CO è presente un triplo legame carbonio-ossigeno ed è quindi necessario cercare l’energia di legame corrispondente che vale 1080 kJ/mol.

L’energia di legame H-H = 436 kJ/mol

Per quanto attiene il metanolo il carbonio è legato a tre atomi di idrogeno con legame semplice e quindi andrà ricercata l’energia di legame C-H che è pari a 415 kJ/mol. Il carbonio è inoltre legato a un atomo di ossigeno tramite legame semplice e quindi andrà ricercata l’energia di legame C-O che è pari a 350 kJ/mol.

L’ossigeno è a sua volta legato a un atomo di idrogeno e l’energia di legame O-H è pari a 464 kJ/mol.

ΔH = 1080 + 2(436) – [3(415) + 350 + 464] = – 107 kJ/mol