L’ entalpia standard di combustione corrisponde al calore sviluppato in condizioni standard di pressione e temperatura quando si verifica la combustione di una mole di sostanza in presenza di ossigeno. Si consideri la reazione di combustione del metanolo:
2 CH3OH+ 3 O2→ 2 CO2 + 4 H2O
Se si vuole calcolare l’entalpia di combustione della reazione si può ricorrere a più metodi. Conviene, innanzi tutto, fare in modo che il coefficiente stechiometrico del combustibile sia pari a uno onde poter evitare calcoli laboriosi. Dividendo per due i coefficienti della reazione abbiamo:
CH3OH+ 3/2 O2→ CO2 + 2 H2O
I dati che sono forniti dal testo dell’esercizio sono abitualmente quelli relativi all’entalpia standard di formazione di CH3OH, CO2 e H2O. Si ricordi che tutti gli elementi nel loro stato standard hanno zero come valore di entalpia di formazione quindi l’entalpia di formazione dell’ossigeno vale zero e pertanto non viene data.
I valori tabulati per il metanolo, il biossido di carbonio e l’acqua sono rispettivamente:
– 239 kJ/mol; – 393 kJ/mol; – 286 kJ/mol
1° Metodo:
Si parte dal presupposto che se l’entalpia di formazione del metanolo relativa alla reazione:
C + 2 H2 + ½ O2 → CH3OH
vale – 239 kJ/mol allora l’entalpia della reazione:
CH3OH → C + 2 H2 + ½ O2 vale + 239 kJ/mol
Poiché per la legge di Hess la variazione complessiva di entalpia è indipendente dal percorso ma dipende solo dallo stato iniziale e da quello finale possiamo considerare la reazione come:
C + 2 H2 + ½ O2 + O2 → CO2 + 2 H2O
Conosciamo quindi l’entalpia dei reagenti e dobbiamo determinare quella dei prodotti; dai dati che abbiamo e ricordando che si deve tenere conto dei coefficienti stechiometrici si ha:
ΔH°p = – 393 + 2(-286) = – 965 kJ
L’entalpia standard di combustione vale quindi + 239 + 965 = – 726 kJ/mol
2° Metodo:
calcolo dell’entalpia di combustione dalla legge di Hess
Dai dati forniti si scrivono le reazioni relative:
(1) C + 2 H2 + ½ O2 → CH3OH ΔH° = – 239 kJ/mol
(2) C + O2 → CO2 ΔH° = – 393 kJ/mol
(3) H2 + ½ O2 → H2O ΔH° = – 286 kJ/mol
Si deve ora lavorare in modo che sommando le varie reazioni si ottenga quella complessiva ovvero CH3OH+ 3/2 O2→ CO2 + 2 H2O
Consideriamo la reazione (1) scritta da destra verso sinistra:
CH3OH → C + 2 H2 + ½ O2 per la quale ΔH° = 239 kJ/mol
Lasciamo invariata la reazione (2)
Moltiplichiamo per 2 la reazione (3):
2 H2 + O2 →2 H2O per la quale ΔH° = 2(- 286) = – 572 kJ/mol
Sommiamo ora le tra reazioni:
CH3OH + C + O2 + 2 H2 + O2 → C + 2 H2 + ½ O2 + CO2 + 2 H2O
E, semplificando, si ha:
CH3OH + 3/2 O2→ CO2 + 2 H2O per la quale ΔH° = 239 – 393 – 572 = – 726 kJ/mol
3° Metodo
può essere usato solo se sono note le entalpie di formazione
Per calcolare l’entalpia di combustione si può far uso della seguente espressione:
ΔH = Σ Hf(prodotti) – Σ Hf(reagenti)
Bisogna tenere presente che nell’espressione devono essere considerati i coefficienti stechiometrici
ΔH = [ 1 ( – 393) + 2 (-286)] – 1 ( -239) = – 726 kJ/mol
4° Metodo
può essere usato se sono note le entalpie di legame
Bisogna valutare quali legami si rompono nei reagenti e in tal caso il processo è endotermico ΔH> 0 e quali legami si formano nei prodotti e in tal caso il processo è esotermico ΔH < 0.
Nella reazione considerata:
Per il metanolo si rompono 3 legami C-H, 1 legame C-O e un legame O-H
Nel caso dell’ossigeno si rompe 1 doppio legame O=O
Per il diossido di carbonio si formano 2 legami C=O
Per l’acqua si formano 2 legami O-H
Nelle tabelle si trovano i seguenti valori:
entalpie di legame ( kJ/mol)
C-H = 413
C-O = 336
O-H = 464
O=O 498
C=O = 805
Calcoliamo l’entalpia dei reagenti:
3 · C-H = 3 ( 413) = + 1239
1 · C-O = + 336
1 · O-H = + 464
3/2 ( 498) = + 747
Totale = + 2786 kJ/mol
Calcoliamo l’entalpia dei prodotti:
2 · C=O = 2 (-805) = 1610
4 · O-H = 4 ( – 464 ) = – 1865
Totale = – 3466 kJ/mol
Sommando l’entalpia dei reagenti a quella dei prodotti si ha: + 2786 – 3466 = – 680 kJ/mol
Questo metodo, rispetto ai precedenti, porta a un diverso valore di ΔH: ciò è dovuto al fatto che sia i reagenti che i prodotti vengono considerati gassosi mentre in condizioni standard sia il metanolo che l’acqua sono liquidi.
