Entalpia delle reazioni. Esercizi svolti e commentati

L’entalpia delle reazioni è correlata al rilascio o all’assorbimento di calore che si verifica nel loro corso.
Per misurare le variazioni di energia che si verificano nelle reazioni si utilizzano generalmente  funzioni di stato ovvero l’ entalpia delle reazioni. Il termine entalpia fu coniato dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes nel 1909.

L’entalpia delle reazioni è data dalla differenza tra l’entalpia molare totale del prodotto e quella totale dei reagenti, calcolata per le sostanze nei loro stati standard. Nelle reazioni esotermiche si verifica una produzione di energia e quindi ΔH è negativo: i reagenti, infatti, hanno una maggiore energia rispetto ai prodotti. Ad esempio, la reazione di combustione del metano:

CH_4(g) +2 O_2(g) → CO_2(g) + 2 H₂O_(g) a cui è associata una variazione di entalpia ΔH pari a – 890.4 kJ può essere anche scritta come:

CH_4(g) +2 O_2(g) → CO_2(g) + 2 H₂O_(g)  + 890.4 kJ

Nelle reazioni endotermiche si verifica un assorbimento di energia e quindi ΔH è positivo: i reagenti, infatti, hanno una minore energia rispetto ai prodotti. Ad esempio, la reazione tra diossido di carbonio e acqua:

CO_2(g) + H₂O_(g) → CH_4(g) + 2 O_2(g)  a cui è associata una variazione di entalpia ΔH pari a  890.4 kJ può essere anche scritta come:

CO_2(g) + H₂O_(g) + 890.4 kJ → CH_4(g) + 2 O_2(g)

Per determinare il calore svolto o assorbito in una determinata reazione bisogna considerare il numero di moli che reagiscono: ad esempio nella reazione di combustione del metano 1 mole di CH₄ reagisce con 2 moli di O₂ per dare, oltre ai prodotti di reazione, una energia di 890.4 kJ.

Esercizi sull’entalpia delle reazioni

1)  La decomposizione del sodio idrogeno solfato avviene secondo la reazione:

2 NaHSO_4(s) → Na₂SO_4(s) + H₂O_(g) + SO_3(g) a cui è associata una variazione di entalpia ΔH = – 231.3 kJ. Calcolare la quantità di energia sviluppata se si decompongono 3.60 g di NaHSO₄.

La reazione, presentando una variazione negativa di entalpia è esotermica e può essere scritta come:

2 NaHSO_4(s) → Na₂SO_4(s) + H₂O_(g) + SO_3(g)  + 231.3 kJ

Le moli di NaHSO₄ sono pari a 3.60 g/ 120.1 g/mol = 0.0300

Dai coefficienti stechiometrici si ha che dalla decomposizione di 2 moli di NaHSO₄ si ottengono 231.3 kJ quindi, impostando la proporzione

2 : 231.3 = 0.0300 : x

si ha che dalla decomposizione di 0.0300 moli di NaHSO₄ si ottengono

0.0300 mol· 231.3 kJ/ 2 mol = 3.47 kJ

2) L’idrazina reagisce con l’ossigeno secondo la reazione:

N₂H_4(l) + 3 O_2(g) → 2 H₂O_(g) + 2 NO_2(g) a cui è associata una variazione di entalpia ΔH = – 400 kJ. Calcolare il calore sviluppato se sono stati ottenuti 9.20 g di NO_2(g).

La reazione, presentando una variazione negativa di entalpia è esotermica e può essere scritta come:

N₂H_4(l) + 3 O_2(g) → 2 H₂O_(g) + 2 NO_2(g) + 400 kJ

Le moli di NO₂ sono quindi pari a 9.20 g /46.0 g/mol = 0.200

Dai coefficienti stechiometrici si ha che quando si ottengono 2 moli di NO_2(g) si sviluppano 400 kJ quindi, impostando la proporzione

2 : 400 = 0.200 : x

si ha che quando si ottengono 0.200 moli di NO₂ si sviluppano

0.200 mol · 400 kJ/ 2 mol = 40.0 kJ

Nelle appendici dei libri sono riportate le entalpie relative ad alcune reazioni come, ad esempio, la reazione:

2 CO_(g) + O_2(g) → 2 CO_2(g)  per la quale ΔH = – 566 kJ

Nella risoluzione degli esercizi si deve tener presente che per la reazione che decorre da destra a sinistra ovvero 2 CO_2(g)  → 2 CO_(g) + O_2(g) la variazione di entalpia ΔH è uguale, in valore assoluto a quella della reazione diretta ma ha segno opposto ovvero ΔH = + 566 kJ