Equazioni termochimiche: applicazioni

Le equazioni termochimiche sono reazioni chimiche bilanciate in cui è presente la variazione di entalpia ad esse correlata
La termochimica è una parte della termodinamica che studia gli scambi di energia sotto forma di calore associati a una reazione chimica valutandone le variabili ad esse connesse come, ad esempio, l’entalpia di legame e l’entropia standard di formazione.

Per definire le proprietà termochimiche di un processo è necessario innanzitutto scrivere l’equazione termochimica che definisce la variazione che ha luogo in termini di formule delle sostanze coinvolte considerando i loro stati fisici.

Proprietà termochimiche

Consideriamo, ad esempio, la vaporizzazione dell’acqua alla sua temperatura di ebollizione: si deve quindi tenere presente che si ha un passaggio di stato dallo stato liquido che a pressione di 1 atm avviene  alla temperatura di 100 °C ovvero 373 K allo stato gassoso alla medesima temperatura. L’equazione termochimica relativa a questo processo è quindi:

H2O(l. 373 K, 1 atm)→  H2O(g, 373 K, 1 atm)

Tale processo è endotermico  e richiede 40.7 kJ/mol pertanto l’equazione completa è:

H2O(l. 373 K, 1 atm)→  H2O(g, 373 K, 1 atm    ΔH = 40.7 kJ/mol

Per scrivere un’equazione termochimica bisogna tenere presente che qualsiasi quantità termodinamica associata alla reazione come, ad esempio,  ΔH si riferisce al numero di moli delle sostanze presenti nell’equazione. Infatti per la sintesi dell’acqua che è una reazione esotermica e pertanto ΔH ha un valore negativo si scrive:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)  ΔH = – 572 kJ

Se i coefficienti stechiometrici delle specie che partecipano alla reazione sono dimezzati anche ΔH  è dimezzato:

H2(g) + ½ O2(g) →  H2O(l)  ΔH = – 286 kJ

Le equazioni termochimiche, nel caso di reazioni che avvengono in soluzione, devono contenere anche le concentrazioni delle specie presenti; ad esempio:

H+(aq, 1 M, 298 K, 1 atm) + OH(aq, 1 M, 298 K, 1 atm) → H2O(l, 373 K, 1 atm)  ΔH = – 56.9 kJ/mol

in cui l’abbreviazione aq si riferisce allo ione idratato presente in soluzione acquosa.

Poiché la maggior parte delle reazioni chimiche avviene alla temperatura di 298 K e alla pressione atmosferica si possono omettere tali grandezze dall’equazione.

Se nelle stesse condizioni la specie si trova nel suo stato fisico più stabile si dice che la specie è nel suo stato standard: per l’acqua lo stato standard a 1 atm e a una temperatura inferiore allo zero è quello solido  a temperature superiori a 100 °C è gassoso.  In tal caso la variazione di entalpia ΔH viene indicata come ΔH°.

Applicazioni

Le applicazioni delle equazioni termochimiche sono molteplici e per poter determinare le grandezze richieste si devono tener presenti alcune considerazioni che, in linea teorica possono essere desunte da vari tipi di considerazioni, ma che appare utile ricordare.

Se in un processo si ha una variazione di entalpia ΔH per il processo inverso la variazione di entalpia è – ΔH. Ad esempio per il passaggio di stato solido-liquido dell’acqua viene richiesta energia ed infatti la relativa equazione termochimica è:

H2O(s)H2O(l)    ΔH = 6.00 kJ

Nel  processo inverso ovvero nel passaggio di stato liquido-solido viene liberata energia e, conseguentemente, la relativa equazione termochimica è:

H2O(l) H2O(s)   ΔH = – 6.00 kJ

Moltiplicando  una equazione termochimica per una costante anche la quantità termodinamica coinvolta deve essere moltiplicata per la medesima costante quindi per il processo:

2 H2O(s)2 H2O(l)   ΔH =  26.00 kJ = 12.0 kJ

La quantità termodinamica si riferisce alla reazione per come essa è scritta e può essere usata per ogni reagente o prodotto della reazione tenendo conto dei coefficienti stechiometrici. Ad esempio la reazione:

H2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g)  per la quale ΔH = – 183 kJ indica che si può usare – 183 kJ/mol per H2 o – 183 kJ/mol per Cl2 o – 183/2 kJ/mol per HCl

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