Come calcolare la variazione di entalpia di una reazione chimica

La chimica rappresenta una materia fondamentale per tutti coloro che decidono di intraprendere gli studi scientifici (presso Istituti Tecnici, Licei scientifici, etc.). Uno degli argomenti più importanti della chimica è la reazione. Essa avviene quando si uniscono due o più elementi; durante questo processo entrano in gioco diverse grandezze variabili, tra cui anche l'entalpia, definita come la somma tra l'energia interna e il prodotto della pressione tra gli elementi che compongono la soluzione reagente. In parole più semplici, durante una qualsiasi reazione chimica il calore può essere assunto dall'ambiente o rilasciato fuori di esso, per cui lo scambio termico tra una reazione chimica e il suo ambiente è conosciuto come entalpia. Il concetto, per quanto possa sembrare difficile, in realtà rappresenta uno dei fenomeni più comuni e importanti nella vita di tutti i giorni. Ma ora vediamo come calcolare la variazione di entalpia di una reazione chimica.

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L'entalpia è una grandezza di stato, si misura in joule e può essere negativa o positiva a seconda che la reazione sia esotermica o endotermica. L'entalpia dipende solo dallo stato iniziale e da quello finale del sistema che si trasforma e non dal "percorso" che si effettua per passare dallo stato iniziale a quello finale. Ciò significa che, indipendentemente dal "percorso" che la proprietà intraprenderà per arrivare allo stato finale, essa verrà definita solo dai valori che ha raggiunto e dai quali è partita. Si definisce entalpia standard di formazione di una data sostanza ad una certa temperatura la variazione di entalpia relativa alla formazione di una mole di quella sostanza, a partire dagli elementi quando si trovano nel loro stato standard e si indica con il simbolo "Hf0". L'entalpia successiva avrà pedice 1, poi 2 e così via.

Prendiamo come esempio la reazione di scomposizione dell'urea con l'acqua: CO (NH2)2 (s) H2O (l) CO2 (g) 2 NH3 (g). Ovviamente non conosciamo il valore dell'entalpia della sostanza. Ciò succede perché la reazione, così come è scritta, ci da informazioni solo sulle moli di reagenti e prodotti. La relazione che consente di ricavare la variazione di entalpia di una reazione è la seguente:
Hf0 (totale) = Hf0 (prodotti) - Hf0 (reagenti). È abbastanza scontato che per calcolare l'entalpia totale servano, a questo punto, le entalpie di reagenti e prodotti.

Riscriviamo l'espressione riportando la somma delle entalpie standard di formazione dei reagenti e dei prodotti, ricordando che vanno moltiplicate per i corrispondenti coefficienti stechiometrici:

Hf0 (prodotti) = Hf0 (CO2) + 2 Hf0 (NH3) = 1 mol (- 393,51 kJ/mol) + 2 mol (- 46,11 kJ/mol) = - 485,73 kJ
Hf0 (reagenti) = Hf0 (CO (NH2)2) + Hf0 (H2O) = 1 mol (- 333,51 kJ/mol) 1 mol + (-285,83 kJ/mol) = - 619,34 kJ.
H0 = Hf0 (prodotti) - Hf0 (reagenti) = (- 485,73 kJ) - (- 619,34 kJ) = 133,61 kJ.

La variazione di entalpia risulta essere positiva e, pertanto, l'entalpia di formazione dei reagenti è minore di quella dei prodotti e possiamo quindi dedurre che la reazione è endotermica. Analogamente, se la variazione di entalpia risultasse negativa, la reazione sarebbe esotermica, cioè con liberazione di calore. Come avete visto, il calcolo non è molto difficile e risulta abbastanza immediato. Le uniche informazioni richieste, inoltre, ci verranno fornite già dalla traccia o, in alternativa, da nozioni che dovremmo conoscere in precedenza.

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