Forme di entalpia. Esempio svolto

La funzione di stato che ci permette di seguire le variazioni di energia a pressione costante si chiama entalpia, H.

H = U + pV essendo U l’energia interna e V il volume.

La variazione di entalpia del sistema uguaglia il calore assorbito o ceduto sotto il vincolo della pressione costante e, poiché in natura esistono moltissimi processi che avvengono a pressione costante e, a seconda del tipo di processo si hanno varie forme di entalpia. Ad esempio l’entalpia di vaporizzazione è il calore necessario per vaporizzare una mole di sostanza dallo stato liquido a quello gassoso, mentre l’entalpia di fusione è il calore necessario per portare una mole di sostanza dallo stato cristallino allo stato liquido. L’entalpia di combustione è la quantità di calore svolta durante una reazione di combustione, quella di reazione è la quantità di calore svolta o assorbita durante una reazione. L’entalpia di formazione di un composto è la variazione di entalpia che accompagna la formazione di una quantità di sostanza a partire dai suoi elementi.

I fattori che influenzano le variazioni di entalpia sono:

  • Temperatura
  • Pressione
  • Stato dei reagenti e dei prodotti ( solido, liquido, gassoso, acquoso)

Lo stato standard di una sostanza è la forma più stabile a 298 K ( ovvero 25°C o temperatura ambiente) e alla pressione di 1 atm

Quando avviene una reazione in cui tutti i reagenti e i prodotti si trovano nei loro stati standard la variazione di entalpia è detta entalpia standard di reazione e si indica con ΔH°.

L’entalpia standard di formazione ΔH°f di un composto è la variazione di entalpia correlata alla formazione di una mole di sostanza dai suoi elementi quando tutte le sostanze si trovano nei rispettivi stati standard.

L’entalpia standard di formazione dell’etanolo CH3CH2OH è la variazione di entalpia correlata alla seguente reazione;
2 C(grafite) + 3 H2(gas)  + ½ O2(gas) → CH3CH2OH(l)  ΔH°f = – 277.7 kJ

Considerazioni:

  • Alla temperatura di 25 °C e alla pressione di 1 atm sia l’ossigeno che l’idrogeno si trovano in forma molecolare rispettivamente H2 e O2
  • Il carbonio in condizioni standard si trova sotto forma di grafite e non, ad esempio di diamante, in quanto in queste condizioni la grafite rappresenta la forma del carbonio ad energia più bassa
  • Il coefficiente stechiometrico dell’ossigeno è frazionario in quanto ci si deve riferire sempre alla formazione di 1 mole di prodotto ed in tal modo i valori di ΔH°f vengono riportati in kJ/mol
  • Per definizione l’entalpia standard di formazione della forma più stabile di un elemento è pari a zero in quanto non è coinvolta alcuna reazione di formazione quando l’elemento si trova nel suo stato standard pertanto ΔH°f del C(grafite), H2(gas)  e O2(gas)  è pari a zero

Si può determinare la variazione di entalpia di una reazione ΔH°rxn dalle entalpie standard di formazione ΔH°f  tramite la legge di Hess.

Esempio

Calcolare la variazione di entalpia ΔH°rxn  relativa alla reazione di combustione del propano:

C3H8(gas) + 5 O2(gas) → 3 CO2(gas) + 4 H2O(l)

 

Suddividiamo il problema tra variazione di entalpia dei reagenti e dei prodotti:

Reagenti:

La variazione di entalpia di formazione ΔH°f del propano dai suoi costituenti nello stato standard è -103.85 kJ/mol relativo alla reazione:

3 C(grafite) + 4 H2(gas)  → C3H8(gas)    ΔH°f = – 103.85 kJ

L’entalpia standard di formazione dell’ossigeno è zero quindi la variazione di entalpia standard di formazione ΔH°f  dei reagenti è -103.85 kJ

Prodotti:

la variazione di entalpia di formazione di CO2(gas) a partire dai suoi elementi allo stato standard è 393.5 kJ/mol relativa alla reazione:

C(grafite) + O2(gas)  → CO2(gas)  ΔH°f = -393.5 kJ

Poiché nella reazione di combustione davanti a CO2 c’è il coefficiente 3 si ha:

3 C(grafite) + 3 O2(gas)  → 3 CO2(gas)  ΔH°f = -393.5 kJ x 3 = – 1180.5 kJ

L’entalpia standard di formazione di H2O(l) a partire dai suoi elementi allo stato standard è -285.8 kJ relativa alla reazione:

H2(gas)  + ½ O2(gas) → H2O(l)  ΔH°f = – 285.8 kJ

Poiché nella reazione di combustione davanti a H2O c’è il coefficiente 4 si ha:

4 H2(gas)  + 2 O2(gas) → 4 H2O(l)  ΔH°f = – 285.8 kJ x 4 = – 1143.2 kJ

la variazione di entalpia standard di formazione ΔH°f  dei prodotti è data da – 1180.5 – 1143.2 = – 2323.7 kJ

L’entalpia della reazione di combustione è data dalla differenza di entalpia dei prodotti rispetto a quella dei reagenti pertanto si ha:

ΔH°rxn = – 2323.7 – ( – 103.9)=  – 2219.8 kJ

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Author: Chimicamo

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