CALORE DELLA SOLUZIONE: COME SI CALCOLA, APPLICAZIONI ED ESERCIZI - FISICO - 2024

Il calore della soluzione o entalpia della soluzione è il calore che viene assorbito o rilasciato durante il processo di dissoluzione di una certa quantità di soluto nel solvente, a condizione di pressione costante.

Quando si verifica una reazione chimica, l'energia è necessaria sia per formare che per rompere i legami che consentono la formazione di nuove sostanze. L'energia che fluisce affinché questi processi abbiano luogo è il calore e la termochimica è la branca della scienza responsabile del loro studio.

Fonte: Pixnio.

Per quanto riguarda il termine entalpia, è usato per riferirsi al flusso di calore quando i processi chimici avvengono in condizioni di pressione costante. La creazione di questo termine è attribuita al fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), lo stesso che scoprì la superconduttività.

Come viene calcolato?

Per trovare l'entalpia bisogna partire dalla prima legge della termodinamica, che considera che la variazione dell'energia interna ΔU di un sistema è dovuta al calore assorbito Q e al lavoro W svolto su di esso da qualche agente esterno:

Dove il lavoro è l'integrale negativo sull'intero volume del prodotto di pressione e variazione differenziale di volume. Questa definizione è equivalente all'integrale negativo del prodotto scalare della forza e del vettore di spostamento nel lavoro meccanico:

Quando viene applicata la condizione di pressione costante sopra menzionata, P può uscire dall'integrale; quindi il lavoro è:

-Espressione per entalpia

Se questo risultato viene sostituito in Δ U otteniamo:

La quantità U + PV è chiamata entalpia H, in modo che:

L'entalpia viene misurata in joule, poiché è energia.

Entalpia della soluzione

I componenti iniziali di una soluzione sono soluto e solvente e hanno un'entalpia originale. Quando questa dissoluzione avrà luogo, avrà una sua entalpia.

In questo caso, la variazione di entalpia in joule può essere espressa come:

O nella forma entalpica standard ΔH ^o , dove il risultato è in joule / mol

Se la reazione emette calore il segno di ΔH è negativo (processo esotermico), se assorbe calore (processo endotermico) il segno sarà positivo. E naturalmente, il valore dell'entalpia della soluzione dipenderà dalla concentrazione della soluzione finale.

applicazioni

Molti composti ionici sono solubili in solventi polari, come l'acqua. Le soluzioni di sale (cloruro di sodio) in acqua o salamoia sono di uso comune. Ora, l'entalpia della soluzione può essere considerata come il contributo di due energie:

- Uno per rompere i legami soluto-soluto e solvente-solvente

- L'altro è quello richiesto nella formazione di nuovi legami soluto-solvente.

Nel caso della dissoluzione di un sale ionico in acqua, è necessario conoscere la cosiddetta entalpia reticolare del solido e l'entalpia di idratazione per formare la soluzione, nel caso dell'acqua. Se non è acqua, allora si chiama entalpia di solvatazione.

L'entalpia reticolare è l'energia necessaria alla rottura della rete ionica e forma gli ioni gassosi, un processo che è sempre endotermico, poiché occorre fornire energia al solido per separarlo nei suoi ioni costituenti e portarli allo stato gassoso.

D'altra parte, i processi di idratazione sono sempre esotermici, poiché gli ioni idratati sono più stabili degli ioni allo stato gassoso.

In questo modo, la creazione della soluzione può essere esotermica o endotermica, a seconda che la rottura del reticolo ionico del soluto richieda più o meno energia di quella fornita dall'idratazione.

Misurazioni con il calorimetro

In pratica è possibile misurare ΔH in un calorimetro, che sostanzialmente è costituito da un contenitore coibentato dotato di termometro e bacchetta di agitazione.

Per quanto riguarda il contenitore, vi viene quasi sempre versata l'acqua, che è il liquido calorimetrico per eccellenza, poiché le sue proprietà sono il riferimento universale per tutti i liquidi.

Vecchio calorimetro usato da Lavoisier. Fonte: Gustavocarra.

Ovviamente anche i materiali del calorimetro sono coinvolti nello scambio termico, oltre all'acqua. Ma la capacità termica dell'intero assieme, chiamata costante calorimetrica, può essere determinata separatamente dalla reazione e quindi presa in considerazione quando avviene.

Il bilancio energetico è il seguente, ricordando la condizione che non ci siano fughe di energia nel sistema:

- Si forma acqua liquida:

½ O ₂ + ½ H ₂ → H ₂ O _liquido ; Δ H ^o = -285,9 kJ / mol

- Ora devi formare la soluzione:

_Solido K + H ₂ O → ½ H ₂ + _acquoso KOH ; Δ H ^o = -2011 kJ / mol

Si noti che il segno dell'entalpia di disintegrazione di KOH è stato invertito, il che è dovuto alla legge di Hess: quando i reagenti vengono convertiti in prodotti, la variazione di entalpia non dipende dai passaggi seguiti e quando l'equazione deve essere invertita , come in questo caso, l'entalpia cambia segno.

Il bilancio energetico è la somma algebrica delle entalpie:

-Esercizio 2

L'entalpia della soluzione per la reazione successiva è determinata in un calorimetro a pressione costante e la costante del calorimetro è nota essere 342,5 J / K. Quando 1,423 g di solfato di sodio Na ₂ SO _{4 vengono} sciolti in 100,34 g di acqua, la variazione di temperatura è 0,037 K. Calcolare l'entalpia standard della soluzione per Na ₂ SO ₄ da questi dati.

Soluzione

L'entalpia standard della soluzione è risolta dall'equazione data sopra:

Per il solfato di sodio: M _s = 142,04 g / mol; m _s = 1,423 g

E per l'acqua: m _acqua = 100,34 g; M _acqua = 18,02 g / mol; C _{acqua; m} = 75,291 J / K mol

Δ T = 0,037 K

_Calorimetro C = 342,5 J / K

Riferimenti

1. Cengel, Y. 2012. Termodinamica. 7 ° Ed. Mc.Graw Hill. 782 - 790
2. Engel, T. 2007. Introduzione alla Fisicochimica: Termodinamica. Pearson Education. 63-78.
3. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 ° .. Ed Prentice Hall. 384-391.
4. Maron, S. 2002. Fondamenti di Fisicochimica. Limusa. 152-155.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning. 553-567.