Entalpia e reazioni chimiche

7.3 Entalpia e reazioni chimiche

Ora che abbiamo mostrato come l’energia, il lavoro e il calore sono correlati, siamo pronti a considerare i cambiamenti energetici nelle reazioni chimiche. Un concetto fondamentale è che ogni reazione chimica si verifica con un cambiamento simultaneo di energia. Ora dobbiamo imparare come esprimere correttamente questi cambiamenti energetici.

Il nostro studio dei gas nel Capitolo 6 “Gas” e la nostra definizione di lavoro nella Sezione 7.2 “Lavoro e calore” indicano che condizioni come pressione, volume e temperatura influenzano il contenuto energetico di un sistema. Ciò di cui abbiamo bisogno è una definizione di energia che regge quando vengono specificate alcune di queste condizioni (in qualche modo simile alla nostra definizione di temperatura e pressione standard nel nostro studio dei gas). Definiamo il cambiamento di entalpiail calore di un processo a pressione costante; denotato ΔH. (ΔH) come il calore di un processo quando la pressione è mantenuta costante:

ΔH pressure qat pressione costante

La lettera H sta per “entalpia”, un tipo di energia, mentre il Δ implica un cambiamento nella quantità. Saremo sempre interessati al cambiamento di H, piuttosto che al valore assoluto di H stesso.

Quando si verifica una reazione chimica, c’è un cambiamento caratteristico nell’entalpia. La variazione di entalpia per una reazione è tipicamente scritta dopo un’equazione chimica bilanciata e sulla stessa linea. Ad esempio, quando due moli di idrogeno reagiscono con una mole di ossigeno per fare due moli di acqua, il cambiamento di entalpia caratteristica è 570 kJ. Scriviamo l’equazione come

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(ℓ) ΔH = -570 kJ

Un’equazione chimica che include un cambiamento entalpico è chiamata equazione termochimicaun’equazione chimica che include un cambiamento entalpico.. Si presume che un’equazione termochimica si riferisca all’equazione in quantità molari, il che significa che deve essere interpretata in termini di moli, non di singole molecole.

Potresti aver notato che il ΔH per una reazione chimica può essere positivo o negativo. Si presume che il numero sia positivo se non ha alcun segno; un segno + può essere aggiunto esplicitamente per evitare confusione. Si dice che una reazione chimica che ha un ΔH positivo sia una reazione chimica endotermica che ha un cambiamento positivo nell’entalpia., mentre una reazione chimica che ha un ΔH negativo è detto di essere esotermica reazione chimica che ha un cambiamento negativo in entalpia..

Cosa significa se il ΔH di un processo è positivo? Significa che il sistema in cui si verifica la reazione chimica sta guadagnando energia. Se si considera l’energia di un sistema come rappresentata come un’altezza su un diagramma di energia verticale, il cambiamento di entalpia che accompagna la reazione può essere schematizzato come nella parte (a) in Figura 7.3 “Energia di reazione”: l’energia dei reagenti ha una certa energia e il sistema aumenta la sua energia man mano che va ai prodotti. I prodotti sono più alti sulla scala verticale rispetto ai reagenti. Endotermico, quindi, implica che il sistema guadagna, o assorbe, energia.

Esiste una situazione opposta per un processo esotermico, come mostrato nella parte (b) della Figura 7.3 “Energia di reazione”. Se il cambiamento di entalpia di una reazione è negativo, il sistema sta perdendo energia, quindi i prodotti hanno meno energia dei reagenti e i prodotti sono più bassi sulla scala di energia verticale rispetto ai reagenti. Esotermica, quindi, implica che il sistema perde, o emette, energia.

Come vengono misurati sperimentalmente i valori ΔH? In realtà, ΔH non è misurato; q è misurato. Ma le misurazioni vengono eseguite in condizioni di pressione costante, quindi ΔH è uguale al q misurato.

Sperimentalmente, q è misurata sfruttando l’equazione

q = mcΔT

Premisure la massa delle sostanze chimiche in un sistema. Quindi lasciamo che si verifichi la reazione chimica e misuriamo il cambiamento di temperatura (ΔT) del sistema. Se conosciamo il calore specifico dei materiali nel sistema (in genere, lo facciamo), possiamo calcolare q. Quel valore di q è numericamente uguale al ΔH del processo, che possiamo scalare fino a una scala molare. Il contenitore in cui risiede il sistema è tipicamente isolato, quindi qualsiasi cambiamento di energia va a cambiare la temperatura del sistema, piuttosto che essere trapelato dal sistema. Il contenitore è indicato come contenitore calorimeterA utilizzato per misurare il calore di una reazione chimica., e il processo di misurazione dei cambiamenti nell’entalpia è chiamato calorimetriil processo di misurazione dei cambiamenti di entalpia per le reazioni chimiche..

Ad esempio, supponiamo che 4,0 g di NaOH, o 0,10 mol di NaOH, vengano sciolti per ottenere 100,0 ml di soluzione acquosa, mentre 3,65 g di HCl, o 0,10 mol di HCl, vengano sciolti per ottenere altri 100,0 ml di soluzione acquosa. Le due soluzioni vengono miscelate in un calorimetro isolato, viene inserito un termometro e il calorimetro viene coperto (vedere Figura 7.4 “Calorimetri” per un esempio di configurazione). Il termometro misura la variazione di temperatura il seguente reazione chimica si verifica:

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ)

Un osservatore osserva che la temperatura aumenta da 22.4°C a 29.1°C. Supponendo che il calore capacità e densità delle soluzioni sono le stesse di quelle di acqua pura, ora abbiamo le informazioni necessarie per determinare la variazione di entalpia della reazione chimica. La quantità totale di soluzione è di 200,0 mL e con una densità di 1,00 g/mL, abbiamo quindi 200,0 g di soluzione. Utilizzando l’equazione di q sostituto per le nostre misure sperimentali e il calore specifico dell’acqua (Tabella 7.1 “Calori Specifici di Varie Sostanze”):

q=(200.0 g)(4.184 J g⋅°C)(6.7°C)

la Risoluzione per q, otteniamo

q=5,600 J≡ΔH per la reazione

Il calore q è uguale alla ΔH per la reazione, perché la reazione chimica che avviene a pressione costante. Tuttavia, la reazione sta emettendo questa quantità di energia, quindi il segno effettivo su ΔH è negativo:

ΔH = -5,600 J per la reazione

Quindi, abbiamo la seguente equazione termochimica per la reazione chimica che si è verificato nel calorimetro:

110 NaOH(aq)+110 HCl(aq)→110 NaCl(aq)+110 H2O(ℓ)ΔH=-5,600 J

1/10 coefficienti sono presenti per ricordare a noi che abbiamo iniziato con un decimo di una mole di ciascun reagente, così facciamo un decimo di una mole di ciascun prodotto. Tipicamente, tuttavia, riportiamo equazioni termochimiche in termini di talpe, non un decimo di una talpa. Per scalare fino a quantità molari, dobbiamo moltiplicare i coefficienti per 10. Tuttavia, quando lo facciamo, otteniamo 10 volte più energia. Abbiamo, dunque,

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56,000 J

Il ΔH può essere convertito in kJ unità, così la nostra ultima equazione termochimica è

NaOH (aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ΔH = -56 kJ

Abbiamo appena preso i nostri dati sperimentali di calorimetria e determinato la variazione di entalpia di una reazione chimica. Misurazioni simili su altre reazioni chimiche possono determinare i valori ΔH di qualsiasi reazione chimica che si desidera studiare.