Termochimica

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.

900_C

400_C

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)

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 = E_finale - E_iniziale ΔP = P_finale - P_iniziale ΔV = V_finale - V_iniziale ΔT = T_finale - T_iniziale

Primo principio della termodinamica –

l’energia può essere convertita da una

forma all’altra ma non può essere né

creata né distrutta.

ΔE_sistema + ΔE_ambiente = 0

o

ΔE_sistema = -ΔE_ambiente

C₃H₈ + 5O₂ 3CO₂ + 4H₂O Reazione chimica esotermica!

Energia chimica liberata per combustione = Energia guadagnata

Un’altra forma del primo principio con ΔE

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 = -P_ΔV quando un gas si espande contro una pressione esterna costante

Lavoro compiuto sul sistema

Il lavoro

non è

una

funzione

di stato

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

La chimica all’opera: facciamo nevicare

Entalpia e il primo principio della termodinamica

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

H_prodotti > H_reagenti

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 00_{C 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 250_{C 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 =}

-

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

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

_Δ

H e

_Δ

E

2Na (s) + 2H₂O (l) 2NaOH (aq) + H_{2 (g) ΔH = -367.5 kJ/mol} ΔE = ΔH - PΔV A 25 0C, 1 mole H₂ = 24.5 L a 1 atm

P_ΔV = 1 atm x 24.5 L = 2.5 kJ

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

Quanto calore è liberato quando una barra di 869 g di ferro si raffredda da 940_{C a 5}0_C?

s del Fe = 0.444 J/g • 0C

Δt = t_finale – t_iniziale = 50C – 940C = -890C

Calorimetria a volume costante

Il calore non entra e non esce!

q_sis = q_acqua + q_bomba + q_reaz

q_sis = 0

q_reaz = - (q_acqua + q_bomba)

q_{acqua = m x s x Δt} q_bomba = C_bomba x _Δt

Reazione a V costante ΔH ~ q_reaz

Calorimetria a pressione costante

q_sis = q_acqua + q_cal + q_reaz

q_sis = 0

q_reaz = - (q_acqua + q_cal)

q_{acqua = m x s x Δt} q_cal = C_cal x _Δt

Reazione a P costante ΔH = q_rxn

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 _ΔH_combustione (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_f (O₂) = 0

ΔH0_f (O₃) = 142 kJ/mol

ΔH0_f (C, grafite) = 0

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

aA + bB cC + dD

ΔH0_reaz = [ cΔH0_f (C) + dΔH0_f (D) ] - [ aΔH0_f (A) + bΔH0_f (B) ] ΔH0_reaz = Σ nΔH0_f (prodotti) - Σ mΔH_f 0 (reagenti)

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)

Calcola l’entalpia standard di formazione del CS₂ (l) sapendo che:

C(grafite) + O₂ (g) CO₂ (g) ΔH_rxn 0 = -393.5 kJ

S(rombico) + O₂ (g) SO₂ (g) ΔH_rxn 0 = -296.1 kJ

CS₂(l) + 3O₂ (g) CO₂ (g) + 2SO₂ (g) ΔH_rxn 0 = -1072 kJ 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) ΔH_rxn 0 = -296.1x2 kJ CO₂(g) + 2SO₂ (g) CS₂ (l) + 3O₂ (g) ΔH0_rxn = +1072 kJ + C(grafite) + 2S(rombico) CS₂ (l) ΔH0rxn = -393.5 + (2x-296.1) + 1072 = 86.3 kJ 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 = Σ nΔH0_f (prodotti) - Σ mΔH_f 0 (reagenti)

ΔH_reaz 0 = [ 12ΔH0_f (CO₂) + 6ΔH0_f (H₂O) ] - 2ΔH[ 0_f (C₆H₆) ]

ΔH0_reaz = [ 12x–393.5 + 6x–187.6 ] – [ 2x49.04 ] = -5946 kJ -5946 kJ

2 mol = - 2973 kJ/mol C6H6

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

L’entalpia di soluzione (_ΔH_soln) è il calore generato o

assorbito quando una certa quantità di soluto si discioglie in una certa quantità di solvente.

ΔH_soln = H_soln - H_componenti

6.7 Quale sostanza può essere

usata per sciogliere il ghiaccio?

Quale sostanza può essere usata per preparare un

Il processo di dissoluzione dell’NaCl