6. La Termochimica • Energia, Calore - processi esotermici ed endotermici • Entalpia - i passaggi di stato - l’entalpia di reazione e l’entalpia di reazione standard - la legge di Hess • Entalpia Standard di Combustione • Entalpia Standard di Reazione • Esercizi Energia - Calore ambiente sistema Def. Definiamo ENERGIA la capacità di compiere un lavoro o fornire calore. TERMOCHIMICA LEGGE DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA L’energia non si crea, né si distrugge, ma può essere convertita da una forma all’altra e/o trasferita di luogo in luogo. ambiente energia energia sistema energia universo GRANDEZZA ESTENSIVA dipende dalle dimensioni del sistema. ENERGIA GRANDEZZA INTENSIVA non dipende dalle dimensioni del sistema. TEMPERATURA Processi Esotermici ed Endotermici Def. Le REAZIONI ESOTERMICHE sono accompagnate da liberazione di calore dal sistema. Def. Le REAZIONI ENDOTERMICHE sono accompagnate da assorbimento di calore dal sistema. ENERGIA (CALORE) CALORIA, cal JOULE, J 1 cal = 4.184 J calore specifico capacità termica massa estensiva intensiva temperatura dopo Calore prima dopo prima Calore temperatura Def. Si definisce CAPACITÀ TERMICA la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di un determinato oggetto. calore scambiato J C1 capacità termica incremento di T L’Entalpia Def. ENTALPIA, H. È il calore che il sistema libera o assorbe a pressione costante. entalpia 208 kJ 100 kJ energia come calore entalpia 100 kJ entalpia energia come calore entalpia 208 kJ L’Entalpia è una GRANDEZZA DI STATO IL VALORE DELLE GRANDEZZE DI STATO DIPENDE DALLO STATO DEL SISTEMA, MA NON DAL MODO IN CUI TALE STATO È RAGGIUNTO. B Entalpia Altitudine L’Entalpia A B DH A DH = Hfin - Hin calore calore DH > 0 DH < 0 I Passaggi di Stato FUSIONE SOLIDO LIQUIDO SOLIDIFICAZIONE FA>FT, hanno volume e forma propri FAFT, hanno volume proprio, forma del recipiente SUBLIMAZIONE VAPORIZZAZIONE BRINAMENTO CONDENSAZIONE VAPORE E GAS FA<FT, non hanno né volume né forma propri I Passaggi di Stato SOLIDIFICAZIONE SOLIDO LIQUIDO FUSIONE SUBLIMAZIONE ENTALPIA DI SUBLIMAZIONE DHsubl = DHfus + DHvap DHsubl = +46.7 kJ ENTALPIA DI FUSIONE DHfus = Hliq - Hsolido DHfus = +6.0 kJ BRINAMENTO CONDENSAZIONE VAPORE E GAS VAPORIZZAZIONE ENTALPIA DI VAPORIZZAZIONE DHvap = Hvap - Hliq DHvap = +40.7 kJ DH(processo inverso) = -DH(processo diretto) I Passaggi di Stato L’Entalpia di Reazione CH4 (g) 2O2 (g) CO2 (g) 2H2O(l) CH4(g) calore 2O2(g) 890 kJ CH4 (g) 2O2 (g) CO2 (g) 2H2O(l) DH 890 kJ EQUAZIONE TERMOCHIMICA Def. Definiamo ENTALPIA DI REAZIONE la variazione di entalpia che accompagna una determinata reazione chimica. 2CH 4 (g) 4O 2 (g) 2CO2 (g) 4H2O(l) DH 1780 kJ CO2 (g) 2H2O(l) CH4 (g) 2O2 (g) DH 890 kJ DH(processo inverso) = -DH(processo diretto) 2x L’Entalpia di Reazione Standard CH4 (g) 2O2 (g) CO2 (g) 2H2O(l) DH 890 kJ CH4 (g) 2O 2 (g) CO2 (g) 2H2O(g) DH 802 kJ Entalpia CH4 (g) 2O2 (g) 802 kJ T = 25°C 890 kJ DHvap = 44 kJ∙mol-1 CO2 (g) 2H2O(g) 88 kJ CO2 (g) 2H2O(l) Def. Chiamiamo STATO STANDARD dei reagenti e dei prodotti quando si trovano nella loro forma pura alla pressione di 1 atm. Def. Definiamo ENTALPIA DI REAZIONE STANDARD, DH0, la variazione di entalpia associata alla reazione dei reagenti nel proprio stato standard, dai quali si ottengono prodotti nel proprio stato standard. CH4 (g) 2O2 (g) CO2 (g) 2H2O(l) DH 890 kJ 0 P = 1 atm T = 298.15 K La Legge di Hess DH(processo inverso) = -DH(processo diretto) DHsubl = DHfus + DHvap C6H12O6 (aq) 6O2 (l) 6CO2 (g) 6H2O(l) DH 0 2808kJ 6CO2 (g) 6H2O(l) C6H12O6 (aq) 6O2 (l) DH 0 2808kJ La LEGGE DI HESS dice che L’ENTALPIA DI REAZIONE COMPLESSIVA È LA SOMMA DELLE ENTALPIE DI REAZIONE RELATIVE AI SINGOLI STADI NEI QUALI SI PUÒ SUDDIVIDERE LA REAZIONE, ANCHE SE CIÒ FOSSE SOLAMENTE TEORICO. C(s) O2 (g) CO2 (g) variazione complessiva Entalpia reagenti 1 2 3 prodotti 1 C(s) O2 (g) CO(g) DH 0 110.5 kJ 2 1 CO(g) O2 (g) CO2 (g) DH 0 283.0 kJ 2 C(s) O2 (g) CO2 (g) DH 0 393.5 kJ L’Entalpia Standard di Combustione Def. L’ENTALPIA STANDARD DI COMBUSTIONE, DHc0, è la variazione di entalpia a mole di sostanza quando questa reagisce completamente con l’ossigeno in condizioni standard. C2H5OH(l) 3O2 (g) 2CO2 (g) 3H2O(l) DHc0 1368 kJ ESERCIZIO Calcolare la massa di butano necessaria per ottenere 350 kJ, il calore sufficiente per portare 1L di acqua dalla temperatura ordinaria ad ebollizione al livello del mare. C3H8 (g) 5O2 (g) 3CO2 (g) 4H2O(l) DHc0 2220 kJ Dalle tabelle Dall’equazione termochimica 1mol C3H8 produce 2220 kJ Massa Molare(C3H8) = 44.09 g∙mol-1 1 mol C3H8 44.09 g mol1 2220 kJ 6.95 g C3H8 Massa di C3H8 necessaria 350kJ Def. Si chiama ENTALPIA SPECIFICA la variazione di entalpia riferita ad 1g di combustibile bruciato. Def. Si chiama DENSITÀ DI ENTALPIA la variazione di entalpia riferita ad 1L di combustibile bruciato. L’Entalpia Standard di Formazione Def. L’ENTALPIA STANDARD DI FORMAZIONE, DH f0, è l’entalpia standard di reazione relativa alla formazione della sostanza dai suoi elementi considerati nella loro forma più stabile. 4C(s) 6H2 (g) O2 (g) 2C2H5OH(l) DH 0 553.38 kJ 2 mol DH f0 277.69 kJ L’entalpia standard di formazione di un elemento nella sua forma più stabile è zero. C(s, grafite) C(s, grafite) DHf0 0 kJ L’entalpia standard di formazione di un elemento nella sua forma più stabile è zero. C(s, grafite) C(s, diamante) DHf0 1.9 kJ Le entalpie standard di formazione si possono combinare per ricavare l’entalpia standard di una reazione qualsiasi. 0 DH 0 Hfin Hin0 nDHf0 (prodotti) nDHf0 (reagenti) L’Entalpia Standard di Formazione reagenti Entalpia di reazione nDH f0 (prodotti) nDH f0 (reagenti) 2C6H6 (l) 15O2 (g) 12CO2 (g) 6H2O(l) nD f (prodotti) Formazione dei prodotti 0 Formazione dei reagenti Entalpia prodotti 0 DH 0 H fin Hin0 (12 mol) DH f0 (CO2 , g) (6 mol) DH f0 (H2O, l) (12 mol) (393.51 kJ mol1 ) (6 mol) (285.83 kJ mol1 ) 6437.10 kJ elementi DH 0 (6437.10 kJ) (98.0 kJ) 6535.1 kJ (2 mol) DH f0 (C6H6 , l) (15 mol) DH f0 (O2 , g) nD f (reagenti) 0 (2 mol) (49.0 kJ mol1 ) (15 mol) (0 kJ mol1 ) 98.0 kJ DHc0 6535.1 kJ 3267.6 kJ mol1 2 mol Esercizi
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