Passaggio di stato e calore. Esercizi svolti e commentati

Un passaggio di stato consiste nella trasformazione dal un stato fisico all’altro e sono trasformazioni fisiche.
Ogni sostanza ha una temperatura di fusione e una temperatura di ebollizione che sono grandezze tabulate a una data pressione.

Una sostanza solida a cui è somministrato calore, una volta raggiunta la sua temperatura di fusione, necessita di altro calore per il passaggio di stato da solido a  liquido che è detto calore latente di fusione tipico di ogni sostanza. Discorso analogo è fatto per il passaggio di stato da liquido a gassoso. La quantità di energia necessaria affinché avvenga un passaggio di stato dipende dalla sostanza, dalla sua massa e dal tipo di passaggio.

Per la fusione:

Q = m ∙ΔHfus (1)

per l’ebollizione

Q = m ∙ΔHeb (2)

dove Q è la quantità di calore assorbita o rilasciata durante il processo, m la massa della sostanza mentre ΔHfus e ΔHeb rappresentano rispettivamente il calore specifico di fusione e di ebollizione.

Calori molari di fusione e di ebollizione

 

Sostanza ΔHfus (kJ/mol) ΔHeb (kJ/mol)
Ammoniaca 5.65 23.4
Etanolo 4.60 43.5
Metanolo 3.16 35.5
Ossigeno 0.44 6.82
Acqua 6.01 40.7

 

Esercizi

1)      Calcolare il calore assorbito sa 31.6 g di ghiaccio a 0°C per passare allo stato liquido.

Poiché i valori tabulati sono espressi in kJ/mol convertiamo i grammi in moli:

moli di acqua = 31.6 g/ 18.02 g/mol=1.75

applicando la (1) si ha:

Q = 1.75 mol ∙ 6.01 kJ/mol= 10.5 kJ

2)      Calcolare la massa di metanolo che passa dallo stato di vapore a quello liquido quando sono rilasciati 20.0 kJ

Poiché ΔHeb del metanolo è di 35.5 kJ/mol il valore di ΔH relativo al processo inverso cioè al processo di condensazione è pari a – 35.5 kJ/mol.

Il calore viene dato dal sistema all’ambiente e pertanto assume valore negativo

Applicando la  (1) si ha:

– 20.0 kJ = – 35.5 kJ/mol ∙ moli

Da cui moli di metanolo = 0.563

Massa di metanolo = 0.563 mol ∙ 32.05 g/mol= 18.1 g

 

3)      Calcolare la quantità di calore necessaria perché 2.00 moli di ghiaccio alla temperatura di – 30.0 °C passino alla temperatura di 140 °C sapendo che il calore specifico del ghiaccio è di 2.06 J/g°C, il calore specifico dell’acqua è di 4.18 J/g°C e il calore specifico del vapore è di 1.87 J/g°C

Per risolvere questo esercizio si devono calcolare singolarmente le quantità di calore necessarie.

2.00 moli di acqua corrispondono a 2.00 mol ∙ 18.02 g/mol= 36.04 g

Il calore necessario per portare 36.04 g di ghiaccio dalla temperatura di – 30.0 °C alla temperatura di fusione che è di 0 °C detto ΔH1 vale

ΔH1 = m ∙c∙ΔT = 36.04 g ∙ 2.06 J/g°C ( 0 – (-30.0)= 2.23 ∙ 103 J = 2.23 kJ

Per conoscere il calore necessario detto ΔH2 per far fondere il ghiaccio usiamo l’equazione (1) attingendo il calore molare di fusione dalla tabella:

ΔH2 = 2.00 mol ∙ 6.01 kJ/mol = 12.01 kJ

Il calore necessario detto ΔH3 per portare l’acqua da 0°C alla sua temperatura di ebollizione che è di 100°C  vale:

ΔH3 = 36.04 g ∙ 4.18 J/g°C ∙ (100 – 0)= 1.51 ∙ 104 J = 15.1 kJ

Per conoscere il calore necessario detto ΔH4 per portare l’acqua a 100°C allo stato di vapore usiamo l’equazione (2) attingendo il calore molare di ebollizione dalla tabella:

ΔH4 = 2.00 mol ∙ 40.7 kJ/mol = 81.4 kJ

Il calore necessario detto ΔH5 per portare il vapore dalla temperatura di 100 °C alla temperatura di 140 °C vale:

ΔH5 = 36.04 g ∙ 1.87 J/g°C ( 140 – 100) = 2.70 ∙ 103 J = 2.70 kJ

La quantità di colore complessiva è data da:

ΔH = 2.23 kJ + 12.01 kJ + 15.1 kJ + 81.4 kJ + 2.70 kJ = 113.4 kJ

 

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

Nanosensori

TI POTREBBE INTERESSARE

Resa percentuale in una reazione. Esercizi svolti e commentati

La resa percentuale di una reazione costituisce un modo per valutare l'economicità di una reazione industriale che può essere accantonata se è bassa. Si possono...

Bilanciamento redox in ambiente basico: esercizi svolti

Il bilanciamento di una reazione redox in ambiente basico  può avvenire con  il metodo delle semireazioni. Nel bilanciamento vanno eliminati di eventuali ioni spettatori...

Temperature di ebollizione di composti organici

Le temperature di ebollizione dei composti organici forniscono informazioni relative alle loro proprietà fisiche e alle caratteristiche della loro struttura e costituiscono una delle...