Classi Seconde

TERMOCHIMICA II (entalpia)

Introduzione

Esiste un parametro energetico che in chimica esprime la quantità di energia (stabilità) posseduta da un composto o un atomo in relazione agli elementi puri considerati. Tale forma di energia viene chiamata entalpia ed è una grandezza estensiva. Possiamo dividere però l'entalpia (simbolo H) per il numero di moli (due grandezze estensive) trovando una seconda grandezza, la entalpia molare o entalpia calcolata su una mole di sostanza:che è una grandezza intensiva che è quella normalmente riportata dalle tavole nei libri scientifici. Dovendo necessariamente prendere un riferimento H = 0 kcal/mol si è deciso di assumere per gli elementi base allo stato stabile alla temperatura di 25°C e 1 atm di pressione (e tali condizioni si indicano sempre con H° si legge acca zero) una entalpia pari a H° = 0 kcal/mol.

2 H_{2 (g)} + 2 C_(s) —» C₂H_{4 (g)} + calore

calore sviluppato = energia di stabilizzazione = 20 kcal/mol ma per questioni aritmetiche si preferisce indicare tale valore come abbassamento di entalpia rispetto ai reagenti e si indica quindi: H° C₂H_{4 (g)} = -20,0 kcal/mol (dato sperimentale che si trova riportato in tabelle)

1) PROCESSO di solubilizzazione

NaOH_(s) —» NaOH (aq) ovverosia

NaOH_(s) —» Na⁺_(aq) + OH^-_(aq)

H°= -101,75 kcal/mol —» H°= -112,08 kcal/mol

Operando su 0,40 g di sostanza (pari a 0,01 moli di NaOH) in 4 mL di acqua, che consideriamo avere la capacità termica costante di 1 cal/°C•g (è una approssimazione perché la capacità termica dell'acqua pura varia con la temperatura stessa purtroppo), in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di:
per 1 mole di NaOH la variazione di entalpia ΔH reazione = -112,08 - (-101,75) = -10,33 kcal/mol = -10330 cal/mol.
Per 0,01 mol di NaOH abbiamo ΔH reazione = -10330 • 0,01 = -103,3 cal; il nostro sistema di reazione ha 4 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di 103,3 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua 103,3 cal / 4 mL = 25 °C.

2) PROCESSO di solubilizzazione

KNO_{3 (s)} —» KNO_{3 (aq)} ovverosia

KNO_{3 (s)} —» K⁺_(aq) + NO₃^-_(aq)

H°= -117,8 kcal/mol —» H°= -110,0 kcal/mol

Operando su 0,51 g di sostanza (pari a 0,005 moli di KNO₃) in 4 mL di acqua, in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di:
per 1 mole di KNO3 la variazione di entalpia ΔH° reazione = -110,0 - (-117,8) = +7,8 kcal/mol = + 7800 cal/mol.
Per 0,005 mol di KNO₃ abbiamo ΔH° reazione = +7800 • 0,005 = 39,4 cal; il nostro sistema di reazione ha 4 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di -39,4 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua -39,4 cal / 4 mL = -10 °C.

3) PROCESSO di solubilizzazione

KI (s) —» KI (aq) ovverosia

KI (s) —» K⁺_(aq) + I^-_(aq)

H°= -78,3 kcal/mol —» H°= -74,0 kcal/mol

Operando su 0,55 g di sostanza (pari a 0,0033 moli di KI) in 4 mL di acqua, in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di:
per 1 mole di KI la variazione di entalpia ΔH° reazione = -74,0 - (-78,3) = +4,3 kcal/mol = + 4300 cal/mol.
Per 0,0033 mol di KI abbiamo ΔH reazione = +4300 • 0,0033 = 14,3 cal; il nostro sistema di reazione ha 4 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di -14,3 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua -14,3 cal / 4 mL = -3,6 °C.
Operando su 1,66 g di sostanza (pari a 0,01 moli di KI) in 4 mL di acqua, in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di: per 1 mole di KI la variazione di entalpia ΔH° reazione = -74,0 - (-78,3) = +4,3 kcal/mol = + 4300 cal/mol.
Per 0,01 mol di KI abbiamo ΔH reazione = +4300 • 0,01 = 43,0 cal; il nostro sistema di reazione ha 4 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di -43,0 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua -43,0 cal / 4 mL = -10,75 °C.

4) PROCESSO di solubilizzazione

Pb(NO₃)_{2 (s)} —» Pb(NO₃)_{2 (aq)} ovverosia

Pb(NO₃)_{2 (s)} —» Pb⁺⁺_(aq) + 2 NO₃^-_(aq)

H°= -108,0 kcal/mol —» H°= -98,4 kcal/mol

Operando su 1,66 g di sostanza (pari a 0,005 moli di Pb(NO₃)₂) in 4 mL di acqua, in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di: per 1 mole di Pb(NO₃)₂ la variazione di entalpia ΔH° reazione = -98,4 - (-108,0) = +9,6 kcal/mol = + 9600 cal/mol. Per 0,005 mol di Pb(NO₃)₂ abbiamo ΔH° reazione = +9600 • 0,005 = 48,0 cal; il nostro sistema di reazione ha 4 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di -48,0 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua -48,0 cal / 4 mL = -12 °C.

5) PROCESSO di reazione

NaOH _(aq) + HCl_(aq) —» NaCl _(aq) + H₂O _(aq)

H°= -112,1 kcal/mol , H°= -40,0 kcal/mol —» H°= -97,3 kcal/mol , H°= -68,3 kcal/mol

di fatto la reazione che abbiamo risulta:

H⁺_(aq) + OH^-_(aq) —» H₂O _(l)

H°= 0,0 kcal/mol , H°= -54,9 kcal/mol —» H°= -68,3 kcal/mol

per 1 mole di NaOH e HCl la variazione di entalpia ΔH° reazione = -68,3 + (-97,3) - [-40 + (-112,1 )] = -13,5 kcal/mol (1° processo) oppure ΔH° reazione = -13,4 kcal/mol (2° processo) = -13400 cal/mol.
Considerando soluzioni 2 M di reagenti su 4 mL (pari a 0,008 mol), unendole abbiamo in 8 mL una soluzione 1M per il prodotto (pari a 0,008 mol).
Per 0,008 mol di NaOH e HCl dovremmo osservare una variazione termica di 13400 • 0,008 = 107 cal che vanno divisi per il numero di mL di acqua 107 cal / 8 mL = 13 °C.

6) PROCESSO di reazione

Pb(NO₃)_{2 (s)} + 2 KI _(s) —» 2 KNO_{3 (s)} + PbI_{2 (s)}

H°= -108,0 kcal/mol , 2 • H°= -78,3 kcal/mol —» 2 • H°= -117,8 kcal/mol , H°= -41,9 kcal/mol

Operando su 1,66 g di nitrato di piombo (pari a 0,005 moli di Pb(NO3)2) con 1,66 g di ioduro di potassio (pari a 0,01 moli di KI) in fase solida, in assenza di dispersioni di energia dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di:
per 1 mole di prodotto PbI₂ la variazione di entalpia ΔH° reazione = -41,9 + (2 • -117,8) - [-108,0 + 2 • (-78,3)] = -12,9 kcal/mol o prendendo dei dati da tanelle termodinamiche più precise, calcoli con una cifra decimale in più -12,85 kcal/mol = -12850 cal/mol.
Per 0,005 mol di Pb(NO₃)₂ abbiamo ΔH° reazione = -12900 • 0,005 = -64,5 cal; il nostro sistema di reazione conta solo uno stato solido quindi dovremmo osservare una variazione termica di +77,4 cal che vanno divise per la capcità termica del miscuglio di solidi in questione che non si conosce esattamente +77,4 cal / sconosciuto = +qualche grado °C.

7) PROCESSO di reazione

Pb(NO₃)_{2 (aq)} + 2 KI (aq) —» 2 KNO_{3 (aq)} + PbI_{2 (s)}
di fatto la reazione che abbiamo risulta:

Pb⁺⁺ _(aq) + 2 I^-_(aq) —» PbI_{2 (s)}
H°= +0,38 kcal/mol , 2 • H°= -13,4 kcal/mol —» H°= -41,9 kcal/mol

Operando su 1,66 g di nitrato di piombo (pari a 0,005 moli di Pb(NO₃)₂) sciolti in 4 mL di acqua con 1,66 g di ioduro di potassio (pari a 0,01 moli di KI) in 4 mL di acqua, in assenza di dispersioni di energia, unendo le due soluzioni dovremmo calcolare per questa reazione una variazione termica di:
per 1 mole di prodotto PbI₂3.18 25/01/11 la variazione di entalpia ΔH° reazione = -41,9 - (0,38 + 2 • -13,4) = -15,48 kcal/mol = -15480 cal/mol.
Per 0,005 mol di Pb(NO₃)₂ abbiamo ΔH° reazione = -15480 • 0,005 = -77,4 cal; il nostro sistema di reazione ha 8 mL di acqua (e non uno) quindi dovremmo osservare una variazione termica di +77,4 cal che vanno divise per il numero di mL di acqua +77,4 cal / 8 mL = +10 °C.

Bibliografia

S. Passananti, S. Ponente, C. Sbriziolo “Principi di chimica” Tramontana 2000
Adolfo Ferrari "Trattato di chimica generale ed inorganica" 1965