Entalpia di combustione: metodi di calcolo, legge di Hess

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.

 

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

TI POTREBBE INTERESSARE

Resa percentuale in una reazione. Esercizi svolti e commentati

La resa percentuale di una reazione costituisce un modo per valutare l'economicità di una reazione industriale che può essere accantonata se è bassa. Si possono...

Bilanciamento redox in ambiente basico: esercizi svolti

Il bilanciamento di una reazione redox in ambiente basico  può avvenire con  il metodo delle semireazioni. Nel bilanciamento vanno eliminati di eventuali ioni spettatori...

Temperature di ebollizione di composti organici

Le temperature di ebollizione dei composti organici forniscono informazioni relative alle loro proprietà fisiche e alle caratteristiche della loro struttura e costituiscono una delle...