Termochimica Capitolo 6

L’energia è la capacità di compiere lavoro

•  L’energia radiante proviene dal sole ed è la fonte primaria di energia sulla Terra

•  L’energia termica è l’energia associata al moto casuale degli atomi e delle molecole

•  L’energia chimica è l’energia immagazzinata nei legami delle sostanze chimiche

•  L’energia nucleare è l’energia immagazzinata nell’ammasso di protoni e neutroni che ci sono nel nucleo

•  L’energia potenziale è l’energia disponibile in virtù della posizione di un oggetto

Il calore è il trasferimento di energia termica fra due corpi che si trovano a differenti temperature.

Variazioni di energia nelle reazioni chimiche

La temperatura è una misura dell’energia termica.

900C 400C Maggiore energia termica

Temperatura = Energia termica

La termochimica è lo studio delle variazioni di calore nelle reazioni chimiche.

Il sistema è la parte specifica dell’universo che ci interessa nel nostro studio.

aperto massa & energia Scambio:

chiuso energia

isolato niente

Un processo esotermico è qualsiasi processo che libera calore e trasferisce calore dal sistema all’ambiente.

Un processo endotermico è qualsiasi processo nel quale il calore deve essere fornito al sistema dall’ambiente.

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l) + energia

H2O (g) H2O (l) + energia

energia + 2HgO (s) 2Hg (l) + O2 (g)

energia + H2O (s) H2O (l)

Esotermico Endotermico

La termodinamica è lo studio scientifico della interconversione del calore e degli altri tipi di energia.

Le funzioni di stato sono proprietà che sono determinate dallo stato del sistema, indipendentemente da come lo stato viene raggiunto.

L’energia potenziale dello scalatore 1 e dello scalatore 2 è la stessa anche se hanno percorso sentieri differenti.

energia , pressione, volume, temperatura

ΔE = Efinale - Einiziale

ΔP = Pfinale - Piniziale

ΔV = Vfinale - Viniziale

ΔT = Tfinale - Tiniziale

Primo principio della termodinamica – l’energia può essere convertita da una forma all’altra ma non può essere né creata né distrutta.

ΔEsistema + ΔEambiente = 0 o

ΔEsistema = -ΔEambiente

C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O

Reazione chimica esotermica!

Energia chimica liberata per combustione = Energia guadagnata dal sistema dall’ambiente

Un’altra forma del primo principio con ΔEsistema

ΔE = q + w

ΔE è la variazione dell’energia interna di un sistema

q è lo scambio di calore fra il sistema e l’ambiente

w è il lavoro compiuto sul (o dal) sistema w = -PΔV quando un gas si espande contro una pressione esterna costante

Lavoro compiuto sul sistema w = F x d

w = -P ΔV

P x V = x d3 = F x d = w F d2

ΔV > 0 -PΔV < 0 wsis < 0

Il lavoro non è una funzione di stato

Δw = wfinale - winiziale iniziale finale

Un campione di azoto si espande da un volume di 1.6 L a uno di 5.4 L a temperatura costante. Qual è il lavoro compiuto, in joule, se il gas si espande (a) contro il vuoto e (b) contro una pressione costante di 3.7 atm?

w = -P ΔV

(a) ΔV = 5.4 L – 1.6 L = 3.8 L P = 0 atm

W = -0 atm x 3.8 L = 0 L•atm = 0 joules

(b) ΔV = 5.4 L – 1.6 L = 3.8 L P = 3.7 atm

w = -3.7 atm x 3.8 L = -14.1 L•atm

w = -14.1 L•atm x 101.3 J 1L•atm

= -1430 J

La chimica all’opera: facciamo nevicare

ΔE = q + w

q = 0

w < 0, ΔE < 0

ΔE = CΔT

ΔT < 0, NEVE!

Entalpia e il primo principio della termodinamica ΔE = q + w

ΔE = ΔH - PΔV

ΔH = ΔE + PΔV

q = ΔH e w = -PΔV A pressione costante:

Entalpia (H) è usato per quantificare il flusso di calore dentro e fuori dal sistema in un processo che si verifica a pressione costante.

ΔH = H (prodotti) – H (reagenti) ΔH = calore liberato o assorbito in una reazione a pressione costante.

ΔH < 0 ΔH > 0 Hprodotti > Hreagenti Hprodotti < Hreagenti

Equazioni termochimiche

H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ

ΔH è negativo or positivo?

Il sistema assorbe calore

Endotermico

ΔH > 0

6.01 kJ sono assorbiti per ogni 1 mole di ghiaccio che fonde a 00C e 1 atm.

Equazioni termochimiche

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) ΔH = -890.4 kJ

ΔH è negativo o positivo ?

Il sistema libera calore

Esotermica

ΔH < 0

890.4 kJ sono rilasciati per ogni 1 mole di metano che è bruciato a 250C e 1 atm.

H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ

•  I coefficienti stechiometrici si riferiscono sempre al numero di moli di una sostanza

Equazioni termochimiche

•  Se rovesci l’equazione il segno del ΔH cambia

H2O (l) H2O (s) ΔH = -6.01 kJ

•  Se moltiplichi entrambi i lati dell’equazione di un fattore n, allora anche ΔH deve variare dello stesso fattore n.

2H2O (s) 2H2O (l) ΔH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ

H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ

•  Gli stati fisici di tutti I reagenti e dei prodotti nelle equazioni termochimiche deve sempre essere specificato.

Equazioni termochimiche

H2O (l) H2O (g) ΔH = 44.0 kJ

Quanto calore si sviluppa quando 266 g di fosforo bianco (P4)brucia all’aria?

P4 (s) + 5O2 (g) P4O10 (s) ΔH = -3013 kJ

266 g P4 1 mol P4

123.9 g P4 x 3013 kJ

1 mol P4 x = 6470 kJ

Un confronto fra ΔH e ΔE

2Na (s) + 2H2O (l) 2NaOH (aq) + H2 (g) ΔH = -367.5 kJ/mol

ΔE = ΔH - PΔV A 25 0C, 1 mole H2 = 24.5 L a 1 atm

PΔV = 1 atm x 24.5 L = 2.5 kJ

ΔE = -367.5 kJ/mol – 2.5 kJ/mol = -370.0 kJ/mol

Il calore specifico (s) di una sostanza è la quantità di calore (q) richieste per aumentare la temperatura di un grammo della sostanza di un grado Celsius.

La capacità termica (C) di una sostanza è data dalla quantità di calore (q) richiesta per aumentare la temperatura di una data quantità (m) della sostanza di un grado Celsius.

C = m x s

Calore (q) assorbito o liberato:

q = m x s x Δt

q = C x Δt

Δt = tfinale - tiniziale

Quanto calore è liberato quando una barra di 869 g di ferro si raffredda da 940C a 50C?

s del Fe = 0.444 J/g • 0C

Δt = tfinale – tiniziale = 50C – 940C = -890C

q = msΔt = 869 g x 0.444 J/g • 0C x –890C = -34,000 J

Calorimetria a volume costante

Il calore non entra e non esce!

qsis = qacqua + qbomba + qreaz qsis = 0 qreaz = - (qacqua + qbomba) qacqua = m x s x Δt qbomba = Cbomba x Δt

Reazione a V costante

ΔH ~ qreaz ΔH = qreaz

Calorimetria a pressione costante

qsis = qacqua + qcal + qreaz qsis = 0 qreaz = - (qacqua + qcal) qacqua = m x s x Δt qcal = Ccal x Δt

Reazione a P costante ΔH = qrxn

Il calore non entra e non esce!

La chimica all’opera: Contenuto calorico dei cibi e di altre sostanze

C6H12O6 (s) + 6O2 (g) 6CO2 (g) + 6H2O (l) ΔH = -2801 kJ/mol

1 cal = 4.184 J 1 Cal = 1000 cal = 4184 J

Sostanza ΔHcombustione (kJ/g)

Mela -2

Manzo -8

Birra -1.5

Benzina -34

Poiché non c’è modo di misurare il valore assoluto dell’entalpia di una sostanza, devo misurare le variazioni di entalpia per ogni reazione che mi interessa?

Stabiliamo una scala arbitraria con l’entalpia standard di formazione (ΔH0) come punto di riferimento per tutte le espressioni dell’entalpia.

f

Entalpia standard di formazione (ΔH0) è la variazione di calore che si verifica quando una mole di un composto è formato dai suoi elementi ad una pressione di 1 atm.

f

L’entalpia standard di formazione di qualsiasi elemento nella sua forma più stabile è zero.

ΔH0 (O2) = 0 f

ΔH0 (O3) = 142 kJ/mol f

ΔH0 (C, grafite) = 0 f

ΔH0 (C, diamante) = 1.90 kJ/mol f

L’entalpia standard di reazione (ΔH0 ) è l’entalpia di una reazione fatta avvenire a 1 atm.

reaz

aA + bB cC + dD

ΔH0 reaz dΔH0 (D) f cΔH0 (C) f = [ + ] - bΔH0 (B) f aΔH0 (A) f [ + ]

ΔH0 reaz nΔH0 (prodotti) f = Σ mΔH0 (reagenti) f Σ -

Legge di Hess: Quando i reagenti sono convertiti in prodotti, la variazione di entalpia è la stessa indipendentemente che la reazione avvenga in uno o in più passaggi.

(L’entalpia è una funzione di stato. Non importa come ci si arriva, ma soltanto da dove si parte e dove si arriva.)

C (grafite) + 1/2O2 (g) CO (g)

CO (g) + 1/2O2 (g) CO2 (g)

C (grafite) + O2 (g) CO2 (g)

Calcola l’entalpia standard di formazione del CS2 (l) sapendo che: C(grafite) + O2 (g) CO2 (g) ΔH0 = -393.5 kJ rxn

S(rombico) + O2 (g) SO2 (g) ΔH0 = -296.1 kJ rxn

CS2(l) + 3O2 (g) CO2 (g) + 2SO2 (g) ΔH0 = -1072 kJ rxn

1. Scrivi la reazione per l’entalpia formazione del CS2

C(grafite) + 2S(rombica) CS2 (l)

2. Somma le reazioni in modo che il risultato quella desiderata.

rxn C(grafite) + O2 (g) CO2 (g) ΔH0 = -393.5 kJ 2S(rombico) + 2O2 (g) 2SO2 (g) ΔH0 = -296.1x2 kJ rxn

CO2(g) + 2SO2 (g) CS2 (l) + 3O2 (g) ΔH0 = +1072 kJ rxn +

C(grafite) + 2S(rombico) CS2 (l)

ΔH0 = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJ rxn 6.6

Il benzene (C6H6) brucia all’aria per dare anidride carbonica e acqua liquida. Quanto calore si liberaper ogni mole di benzene bruciato? L’entalpia standard di formazione del benzene è 49.04 kJ/mol.

2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)

ΔH0 reaz nΔH0 (prodotti) f = Σ mΔH0 (reagenti) f Σ -

ΔH0 reaz 6ΔH0 (H2O) f 12ΔH0 (CO2) f = [ + ] - 2ΔH0 (C6H6) f [ ]

ΔH0 reaz = [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ

-5946 kJ 2 mol

= - 2973 kJ/mol C6H6

6.6

La chimica all’opera: la difesa dei coleotteri bombardieri

C6H4(OH)2 (aq) + H2O2 (aq) C6H4O2 (aq) + 2H2O (l) ΔH0 = ?

C6H4(OH)2 (aq) C6H4O2 (aq) + H2 (g) ΔH0 = 177 kJ/mol

H2O2 (aq) H2O (l) + ½O2 (g) ΔH0 = -94.6 kJ/mol

H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l) ΔH0 = -286 kJ/mol

ΔH0 = 177 - 94.6 – 286 = -204 kJ/mol

Esotermica!

L’entalpia di soluzione (ΔHsoln) è il calore generato o assorbito quando una certa quantità di soluto si discioglie in una certa quantità di solvente.

ΔHsoln = Hsoln - Hcomponenti

6.7

Quale sostanza può essere usata per sciogliere il ghiaccio?

Quale sostanza può essere usata per preparare un impacco freddo?

Il processo di dissoluzione dell’NaCl

ΔHsoln = Stadio 1 + Stadio 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol