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Entalpia, calorimetria e legge di Hess

L'entalpia è H = U + pV. A pressione costante il calore assorbito o ceduto è uguale a ΔH; a volume costante è uguale a ΔU. Misuriamo ΔU in una bomba calorimetrica chiusa e ΔH in un calorimetro a tazza aperto, usando q = C ΔT oppure q = m c ΔT. Per i gas vale ΔH = ΔU + Δn_g RT. L'entalpia di reazione ΔrH è negativa nelle reazioni esotermiche e positiva in quelle endotermiche, e ΔrH° = ΣΔfH°(prodotti) − ΣΔfH°(reagenti). Legge di Hess: la variazione totale di entalpia è la stessa sia che la reazione avvenga in un passaggio sia in molti, quindi le equazioni termochimiche si possono sommare come in algebra.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Questa pentola d'acciaio è chiusa, quindi il suo volume non può cambiare. Bruciamo un po' di carbonio dentro. Il calore scalda l'acqua e il termometro sale. A volume fisso, il calore misura ΔU.
  2. Questa tazza è aperta all'aria, quindi la pressione resta uguale. Mescoliamo un acido e una base. L'acqua si scalda. A pressione fissa, il calore misura ΔH.
  3. Ora contiamo le molecole di gas. Quattro molecole di gas diventano due. Meno molecole di gas significa che l'aria compie lavoro sul sistema. Per questo ΔH e ΔU differiscono di Δn_g RT.
  4. Disegniamo i livelli di energia. Se i prodotti stanno più in basso, il calore esce: reazione esotermica, ΔH è negativo. Se stanno più in alto, il calore entra: reazione endotermica, ΔH è positivo.
  5. Si può andare dal carbonio all'anidride carbonica con un salto solo, oppure con due salti più piccoli passando per il CO. La discesa totale è la stessa: −393.5 kJ. Questa è la legge di Hess.
  6. Tocca a te. Cambia la massa dell'acqua e l'aumento di temperatura. Guarda come cambiano q = mcΔT e ΔH.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Perché la bomba deve essere fatta di acciaio spesso?

Il volume non deve cambiare, nemmeno quando i gas caldi spingono verso l'esterno durante la combustione. Un recipiente robusto e chiuso mantiene fisso V, quindi il calore è uguale a ΔU.

Perché una tazza aperta dà ΔH e non ΔU?

La tazza è aperta all'aria, quindi la pressione resta a 1 atm. A pressione costante il calore è ΔH per definizione.

Perché in Δn_g contano solo le molecole di gas?

Il termine p–V nasce dalla variazione di volume. I gas riempiono grandi volumi; solidi e liquidi occupano pochissimo spazio in più. Guarda le 4 molecole di gas che diventano 2.

Come capisco se ΔH è negativo o positivo?

Guarda il diagramma energetico. Se i prodotti stanno più in basso dei reagenti, è stata liberata energia: ΔH < 0 (esotermica).

Perché possiamo sommare i valori di ΔH come numeri?

H è una funzione di stato. Entrambi i percorsi partono da C + O₂ e finiscono in CO₂, quindi i totali devono coincidere: −110.5 + (−283.0) = −393.5.

Che cosa significa un ΔT negativo nella tazza?

La soluzione si è raffreddata, quindi il calore è stato preso dall'acqua: la reazione è endotermica e ΔH è positivo. Porta ΔT sotto zero nel gioco libero.

Entalpia e variazione di entalpia

La maggior parte delle reazioni in laboratorio o in cucina avviene in recipienti aperti, a pressione costante (quella dell'aria). Per questi casi usiamo una nuova funzione di stato, l'entalpia: H = U + pV.

A pressione costante il primo principio dà q_p = ΔU + pΔV = ΔH. Quindi ΔH è semplicemente il calore assorbito o ceduto a pressione costante. A volume costante ΔV = 0 e q_V = ΔU.

Il legame tra ΔH e ΔU

Solidi e liquidi cambiano pochissimo volume, quindi per loro ΔH ≈ ΔU. Per i gas pV = nRT, dunque ΔH = ΔU + Δn_g RT, dove Δn_g = moli di prodotti gassosi − moli di reagenti gassosi. Usa R = 8.314 × 10⁻³ kJ K⁻¹ mol⁻¹ quando ΔU è in kJ.

Proprietà estensive e intensive

Capacità termica

La capacità termica C è il calore che serve per alzare la temperatura di 1 K: q = C ΔT. Il calore specifico c è riferito a un grammo (acqua: 4.18 J g⁻¹ K⁻¹), quindi q = m c ΔT. La capacità termica molare è riferita a una mole. Per un gas ideale C_p − C_v = R, perché a pressione costante una parte del calore serve per il lavoro di espansione.

Calorimetria: misurare ΔU e ΔH

Calorimetria significa misurare il calore. La reazione avviene dentro o vicino a una massa nota di acqua, e leggiamo la variazione di temperatura.

ΔU con la bomba calorimetrica (volume costante)

Un robusto recipiente d'acciaio chiuso (la «bomba») contiene il campione e ossigeno sotto pressione. Sta immerso nell'acqua. Una scintilla elettrica fa partire la combustione. Il volume non può cambiare, quindi non c'è lavoro p–V e q_V = ΔU. Calore sviluppato = C_calorimetro × ΔT. Il segno per la reazione è opposto al calore guadagnato dall'acqua.

ΔH con il calorimetro a tazza (pressione costante)

Per le reazioni in soluzione (come acido + base) basta una tazza isolata e aperta all'aria. La pressione resta quella atmosferica, quindi q_p = ΔH. Calore = m c ΔT della soluzione; ΔH per mole = −q ÷ moli.

Se ΔT aumenta, la reazione è esotermica (ΔH < 0). Se diminuisce, la reazione è endotermica (ΔH > 0).

Entalpia di reazione, stati standard e formazione

L'entalpia di reazione ΔrH è la variazione di entalpia quando reagiscono le moli indicate nell'equazione bilanciata: ΔrH = ΣH(prodotti) − ΣH(reagenti).

Entalpia standard

I valori dipendono dalle condizioni, quindi li confrontiamo nello stato standard: la sostanza pura a 1 bar e alla temperatura indicata (di solito 298 K). I valori standard portano il simbolo °: ΔrH°.

Equazioni termochimiche

Un'equazione bilanciata con gli stati fisici e ΔrH, per esempio CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l); ΔrH° = −890.3 kJ mol⁻¹. Regole: (1) i coefficienti sono moli; (2) se raddoppi l'equazione raddoppia ΔH (è estensiva); (3) se inverti l'equazione cambia il segno di ΔH; (4) gli stati fisici contano (H₂O(l) e H₂O(g) danno valori diversi).

Entalpia standard di formazione ΔfH°

È la variazione di entalpia quando 1 mol di un composto si forma dai suoi elementi nel loro stato più stabile (stato di riferimento). Per un elemento nel suo stato di riferimento (O₂(g), C grafite, H₂(g)), ΔfH° = 0. Allora ΔrH° = Σ ai ΔfH°(prodotti) − Σ bi ΔfH°(reagenti).

Legge di Hess della somma costante dei calori

Legge di Hess: se una reazione avviene in più passaggi, la sua variazione totale di entalpia è la somma delle variazioni di entalpia dei singoli passaggi. Il percorso non conta, perché H è una funzione di stato.

Esempio: C(grafite) + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ. Oppure in due passaggi: C + ½O₂ → CO (−110.5 kJ), poi CO + ½O₂ → CO₂ (−283.0 kJ). Somma = −393.5 kJ.

A cosa serve

Alcune entalpie (come ΔfH del CO o del CH₄) non si possono misurare direttamente. Sommiamo, sottraiamo, invertiamo o moltiplichiamo equazioni termochimiche note finché otteniamo l'equazione cercata, e trattiamo i valori di ΔH allo stesso modo.

All'esame

Si chiedono spesso esercizi con la legge di Hess (3 punti), la conversione ΔH–ΔU (2 punti) e le definizioni di calorimetria.

Prova a casa: un calorimetro a tazza

Metti un bicchiere di acciaio dentro una tazza di polistirolo. Aggiungi 100 mL di acqua del rubinetto e annota la temperatura (va bene un termometro da cucina o da febbre). Mescola due cucchiai di soda per bucato o un po' di detersivo in polvere e leggi la nuova temperatura. Se è salita, lo scioglimento era esotermico. Ora usa q = m c ΔT = 100 × 4.18 × ΔT. Prova gli stessi numeri nel gioco libero in 3D.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Quanto calore serve per scaldare 250 g di acqua da 20 °C a 80 °C?

q = m c ΔT = 250 × 4.18 × (80 − 20) = 250 × 4.18 × 60 = 62 700 J = 62.7 kJ.

2. 1.00 g di grafite viene bruciato in una bomba calorimetrica con capacità termica 20.0 kJ K⁻¹. La temperatura sale di 1.64 K. Trova ΔU per la combustione di 1 mol di carbonio.

Calore assorbito dal calorimetro = 20.0 × 1.64 = 32.8 kJ. La reazione lo ha ceduto, quindi q = −32.8 kJ per grammo. 1 mol di C = 12 g: ΔU = −32.8 × 12 = −393.6 kJ mol⁻¹.

3. 50 mL di HCl 1 M vengono mescolati con 50 mL di NaOH 1 M in un calorimetro a tazza. La temperatura sale di 6.8 K. Trova l'entalpia di neutralizzazione (considera 100 g di soluzione, c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹).

q = 100 × 4.18 × 6.8 = 2842 J. Moli di acqua formate = 0.050 × 1 = 0.050 mol. ΔH = −2842 ÷ 0.050 = −56 840 J mol⁻¹ ≈ −56.8 kJ mol⁻¹.

4. Per N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g), ΔU = −87.0 kJ a 298 K. Trova ΔH.

Δn_g = 2 − 4 = −2. ΔH = ΔU + Δn_g RT = −87.0 + (−2)(8.314 × 10⁻³)(298) = −87.0 − 4.96 = −91.96 ≈ −92.0 kJ.

5. Trova ΔcH° del metano. ΔfH°: CH₄(g) = −74.8, CO₂(g) = −393.5, H₂O(l) = −285.8 kJ mol⁻¹.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). ΔrH° = [−393.5 + 2(−285.8)] − [−74.8 + 0] = −965.1 + 74.8 = −890.3 kJ mol⁻¹.

6. Date C + O₂ → CO₂, ΔH = −393.5 kJ e CO + ½O₂ → CO₂, ΔH = −283.0 kJ. Trova ΔfH° del CO.

Cerchiamo: C + ½O₂ → CO. Prendi l'equazione 1 così com'è e inverti la 2: CO₂ → CO + ½O₂, ΔH = +283.0. Somma: C + ½O₂ → CO, ΔH = −393.5 + 283.0 = −110.5 kJ mol⁻¹.

7. Usa la legge di Hess per trovare ΔfH° del CH₄. ΔcH°: C(grafite) = −393.5, H₂(g) = −285.8, CH₄(g) = −890.3 kJ mol⁻¹.

Cerchiamo: C + 2H₂ → CH₄. (i) C + O₂ → CO₂, −393.5. (ii) 2 × [H₂ + ½O₂ → H₂O], 2 × (−285.8) = −571.6. (iii) inverti la combustione del CH₄: CO₂ + 2H₂O → CH₄ + 2O₂, +890.3. Somma: −393.5 − 571.6 + 890.3 = −74.8 kJ mol⁻¹.

8. La capacità termica molare a volume costante di un gas ideale è 12.5 J K⁻¹ mol⁻¹. Trova C_p e il calore necessario per scaldare 2 mol di 10 K a pressione costante.

C_p = C_v + R = 12.5 + 8.3 = 20.8 J K⁻¹ mol⁻¹. q_p = n C_p ΔT = 2 × 20.8 × 10 = 416 J. Questo è ΔH.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Il calore misurato in una bomba calorimetrica è uguale a:
2. In quale reazione ΔH = ΔU?
3. ΔfH° di O₂(g) a 298 K è:
4. La legge di Hess vale perché l'entalpia è:
5. Quale è una proprietà intensiva?

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Che cos'è l'entalpia in parole semplici?

L'entalpia (H = U + pV) è il contenuto di calore di un sistema a pressione costante. La sua variazione, ΔH, è il calore assorbito o ceduto in un recipiente aperto.

Qual è la differenza tra una bomba calorimetrica e un calorimetro a tazza?

La bomba calorimetrica è chiusa (volume costante) e misura ΔU, soprattutto per le combustioni. Il calorimetro a tazza è aperto (pressione costante) e misura ΔH, soprattutto per le reazioni in soluzione.

Che cosa afferma la legge di Hess?

La variazione di entalpia di una reazione è la stessa sia che avvenga in un passaggio sia in più passaggi. Perciò possiamo sommare le equazioni termochimiche per trovare valori di ΔH sconosciuti.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 12D. Energy Changes and Rates of Reaction
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Chemical processes and cycles (part 2)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a VIII-aChemistry in our lives
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
RomaniaClasa a XII-aThermochemistry
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класGeneral review of chemistry
CBSE (India)Class 11Chemical Thermodynamics
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS1 Matter and its interactions
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Spontaneity of chemical change
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Hydrocarbons: fuels and reactants
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.1 Thermal effects

Da studiare prima

Da studiare dopo

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