Il entalpia di formazione è il cambiamento che subisce l'entalpia nella formazione di una mole di un composto o di una sostanza in condizioni standard. La condizione di pressione standard è intesa quando la reazione di formazione viene eseguita alla pressione atmosferica di un'atmosfera e a una temperatura ambiente di 25 gradi Celsius o 298,15 Kelvin..
Lo stato normale degli elementi reattivi in una reazione di formazione si riferisce al più comune stato di aggregazione (solido, liquido o gassoso) di queste sostanze in condizioni standard di pressione e temperatura..
Lo stato normale si riferisce anche alla forma allotropica più stabile di questi elementi reattivi in condizioni di reazione standard..
L'entalpia H è una funzione termodinamica che viene definita come l'energia interna U più il prodotto della pressione P e del volume V delle sostanze che partecipano alla reazione chimica di formazione di una sostanza talpa:
H = U + P ∙ V
L'entalpia ha dimensioni di energia e nel Sistema Internazionale di misure viene misurata in Joule.
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Il simbolo dell'entalpia è H, ma nel caso specifico dell'entalpia di formazione è indicato con ΔH0f per indicare che si riferisce al cambiamento sperimentato da questa funzione termodinamica nella reazione di formazione di una mole di un certo composto in condizioni standard.
Nella notazione, l'apice 0 indica le condizioni standard, e il pedice f si riferisce alla formazione di una mole di sostanza a partire dai reagenti nello stato di aggregazione e la forma allotropica più stabile dei reagenti nelle condizioni standard..
La prima legge stabilisce che il calore scambiato in un processo termodinamico è uguale alla variazione dell'energia interna delle sostanze coinvolte nel processo più il lavoro svolto da queste sostanze nel processo:
Q = ΔU + W
Nel caso presente, la reazione viene condotta a pressione costante, in particolare alla pressione di un'atmosfera, quindi il lavoro sarà il prodotto della pressione e della variazione di volume.
Quindi il calore di formazione di un certo composto che indicheremo con Q0f è correlato alla variazione di energia interna e di volume come segue:
Q0f = ΔU + P ΔV
Ma ricordando la definizione di entalpia standard abbiamo:
Q0f = ΔH0f
Questa espressione non significa che il calore di formazione e l'entalpia di formazione siano gli stessi. L'interpretazione corretta è che il calore scambiato durante la reazione di formazione ha causato un cambiamento nell'entropia della sostanza formata rispetto ai reagenti in condizioni standard..
D'altra parte, poiché l'entalpia è una funzione termodinamica estesa, il calore di formazione si riferisce sempre a una mole del composto formato..
Se la reazione di formazione è esotermica, l'entalpia di formazione è negativa.
Al contrario, se la reazione di formazione è endotermica, allora l'entalpia di formazione è positiva..
In un'equazione di formazione termochimica, non devono essere indicati solo i reagenti e i prodotti. In primo luogo, è necessario che l'equazione chimica sia bilanciata in modo tale che la quantità di composto formato sia sempre 1 mole.
D'altra parte, lo stato di aggregazione dei reagenti e dei prodotti deve essere indicato nell'equazione chimica. Se necessario, va indicata anche la forma allotropica dello stesso, poiché il calore di formazione dipende da tutti questi fattori..
In un'equazione di formazione termochimica deve essere indicata anche l'entalpia di formazione.
Diamo un'occhiata ad alcuni esempi di equazioni termochimiche ben poste:
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (g); ΔH0f = -241,9 kJ / mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (l); ΔH0f = -285,8 kJ / mol
H2 (g) + ½ O2 (g) → H2O (s); ΔH0f = -292,6 kJ / mol
- Tutti sono bilanciati in base alla formazione di 1 mole di prodotto.
- Viene indicato lo stato di aggregazione dei reagenti e del prodotto.
- Viene indicata l'entalpia di formazione.
Si noti che l'entalpia di formazione dipende dallo stato di aggregazione del prodotto. Delle tre reazioni, la più stabile in condizioni standard è la seconda.
Poiché ciò che conta in una reazione chimica e in particolare in una reazione di formazione è il cambiamento di entropia e non l'entropia stessa, si conviene che gli elementi puri nella loro forma molecolare e nello stato di aggregazione naturale in condizioni standard hanno entropia di formazione..
Ecco alcuni esempi:
O2 (g); ΔH0f = 0 kJ / mol
Cl2 (g); ΔH0f = 0 kJ / mol
Na (s); ΔH0f = 0 kJ / mol
C (grafite); ΔH0f = 0 kJ / mol
Sapendo che per la formazione dell'etene (C2H4) è necessario fornire 52 kJ di calore per ogni mole e che i suoi reagenti sono idrogeno e grafite, scrivi l'equazione termochimica per la formazione dell'etene.
Per prima cosa eleviamo l'equazione chimica e la bilanciamo sulla base di una mole di etene.
Quindi si tiene conto che è necessario fornire calore affinché la reazione di formazione abbia luogo, il che indica che si tratta di una reazione endotermica e quindi l'entropia di formazione è positiva..
2 C (grafite solida) + 2 H2 (gas) → C2H4 (gas); ΔH0f = +52 kJ / mol
In condizioni standard, idrogeno e ossigeno vengono miscelati in un contenitore da 5 litri. L'ossigeno e l'idrogeno reagiscono completamente senza nessuno dei reagenti per formare il perossido di idrogeno. Nella reazione sono stati rilasciati 38,35 kJ di calore nell'ambiente.
Indica l'equazione chimica e termochimica. Calcola l'entropia di formazione del perossido di idrogeno.
La reazione di formazione del perossido di idrogeno è:
H2 (gas) + O2 (gas) → H2O2 (liquido)
Nota che l'equazione è già bilanciata sulla base di una mole di prodotto. Cioè, ci vuole una mole di idrogeno e una mole di ossigeno per produrre una mole di perossido di idrogeno..
Ma l'affermazione del problema ci dice che l'idrogeno e l'ossigeno vengono miscelati in un contenitore da 5 litri in condizioni standard, quindi sappiamo che ciascuno dei gas occupa 5 litri.
D'altra parte, le condizioni standard indicano una pressione di 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa e una temperatura di 25 ° C = 298,15 K.
In condizioni standard 1 mole di gas ideale occuperà 24,47 L, come si può verificare dal seguente calcolo:
V = (1 mol * 8,3145 J / (mol * K) * 298,15 K) / 1,03 x 10⁵ Pa = 0,02447 m³ = 24,47 L.
Poiché sono disponibili 5 L, il numero di moli di ciascuno dei gas è dato da:
5 litri / 24,47 litri / mol = 0,204 moli di ciascuno dei gas.
Secondo l'equazione chimica bilanciata, si formeranno 0,204 moli di perossido di idrogeno, rilasciando 38,35 kJ di calore nell'ambiente. Cioè, per formare una mole di perossido, sono necessarie 38,35 kJ / 0,204 moli = 188 kJ / mole.
Inoltre, poiché il calore viene rilasciato nell'ambiente durante la reazione, l'entalpia di formazione è negativa. Risulta infine la seguente equazione termochimica:
H2 (gas) + O2 (gas) → H2O2 (liquido); ΔH0f = -188 kJ / mol
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