Capitolo 6 Termochimica: Flusso di energia e trasformazioni chimiche

Termochimica: flusso di energia e trasformazioni chimiche 6.1 Forme di energia e loro interconversione 6.2 Entalpia: calori di reazione e trasformazioni chimiche 6.3 Calorimetria: misura dei calori di reazione in laboratorio 6.4 Stechiometria delle equazioni termochimiche 6.5 Legge di Hess dell’additività delle variazioni di entalpia 6.6 Calori standard di reazione (DH0r)

Un sistema chimico e il suo ambiente Figura 6.1 Un sistema chimico e il suo ambiente L’ambiente Il sistema

La Termodinamica è lo studio del calore e delle sue trasformazioni. La Termochimica è la branca della termodinamica che studia il calore scambiato nelle trasformazioni chimiche e fisiche Premessa Quando si trasferisce energia da un corpo a un altro, essa si manifesta come lavoro e/o calore. Per compiere osservazioni significative di una variazione di energia, dobbiamo definire un sistema da studiare; ogni altra cosa è definita come ambiente. Il sistema è costituito da particelle con la loro energia interna (E o U). Pertanto il sistema ha un’energia interna totale. Quando avviene una trasformazione l’energia interna varia.

Figura 6.2 Diagrammi energetici per il trasferimento (o scambio) di energia interna (E) tra un sistema e il suo ambiente

Un sistema che trasferisce energia soltanto sotto forma di calore Figura 6.3 Un sistema che trasferisce energia soltanto sotto forma di calore

Un sistema che cede energia soltanto sotto forma di lavoro Figura 6.4 Un sistema che cede energia soltanto sotto forma di lavoro

DEuniverso = DEsistema + DEambiente Unità di misura dell’Energia Joule (J) 1 J = 1 kg*m2/s2 Caloria (cal) 1 cal = 4.18J British Thermal Unit 1 Btu = 1055 J

Alcune interessanti quantità di energia Figura 6.5 Alcune interessanti quantità di energia

Due differenti cammini per la variazione di energia di un sistema Figura 6.6 Due differenti cammini per la variazione di energia di un sistema

Lavoro pressione x volume (lavoro PV) Figura 6.7 Lavoro pressione x volume (lavoro PV)

Significato dell’Entalpia w = - PDV DH ≈ DE in H = E + PV 1. Reazioni che non coinvolgono gas. dove H è l’entalpia 2. Reazioni in cui il numero di moli di gas non cambia. DH = DE + PDV 3. Reazioni in cui il numero di moli di gas cambia ma q >>> PDV. qp = DE + PDV = DH

Figura 6.8 Diagrammi dell’entalpia per un processo esotermico e uno endotermico CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H2O(l) H2O(g)

Alcuni tipi importanti di variazione dell’Entalpia Calore di combustione (DHcomb) C4H10(l) + 13/2O2(g) 4CO2(g) + 5H2O(g) Calore di formazione (DHf) K(s) + 1/2Br2(l) KBr(s) Calore di fusione (DHfus) NaCl(s) NaCl(l) Calore di vaporizzazione (DHvap) C6H6(l) C6H6(g)

Calorimetro a pressione costante Figura 6.10 Calorimetro a pressione costante

Figura 6.11 Bomba calorimetrica

kilojoule) trasferito durante una reazione Figura 6.12 Sommario della relazione tra quantità di sostanza (in moli) e quantità di calore (in kilojoule) trasferito durante una reazione

Tabella 6.5 Calori di formazione standard scelti a 250C(298K) Formula DH0f(kJ/mol) Formula DH0f(kJ/mol) Formula DH0f(kJ/mol) calcio argento Cl2(g) Ca(s) Ag(s) -92.3 HCl(g) CaO(s) -635.1 AgCl(s) -127.0 -1206.9 CaCO3(s) idrogeno H(g) 218 sodio carbonio H2(g) Na(s) C(grafite) Na(g) 107.8 C(diamante) 1.9 ossigeno NaCl(s) -411.1 CO(g) -110.5 O2(g) CO2(g) -393.5 O3(g) 143 zolfo CH4(g) -74.9 H2O(g) -241.8 S8(rombico) CH3OH(l) -238.6 S8(monoclinico) 2 H2O(l) -285.8 HCN(g) 135 SO2(g) -296.8 CSs(l) 87.9 SO3(g) -396.0 cloro Cl(g) 121.0

Procedimento generale per determinare DH0rxn in base ai valori di DH0f Figura 6.13 Procedimento generale per determinare DH0rxn in base ai valori di DH0f

Intrappolamento del calore da parte dell’atmosfera Figura B6.1 Intrappolamento del calore da parte dell’atmosfera

Le crescenti conferme dell’effetto serra Figura B6.2 Concentrazioni atmosferiche di CO2 Le crescenti conferme dell’effetto serra Temperatura globale (planetaria) media