Forme di entalpia. Esercizi svolti

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.

Tipi e 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 H_2(gas)  + ½ O_2(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), H_2(gas)  e O_2(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.

Esercizi

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

C₃H_8(gas) + 5 O_2(gas) → 3 CO_2(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 H_2(gas)  → C₃H_8(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 CO_2(gas) a partire dai suoi elementi allo stato standard è 393.5 kJ/mol relativa alla reazione:

C_(grafite) + O_2(gas)  → CO_2(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 O_2(gas)  → 3 CO_2(gas)  ΔH°_f = -393.5 kJ · 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:

H_2(gas)  + ½ O_2(gas) → H₂O_(l)  ΔH°_f = – 285.8 kJ

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

4 H_2(gas)  + 2 O_2(gas) → 4 H₂O_(l)  ΔH°_f = – 285.8 kJ · 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