Impara Calorimetria ed entalpia da zero
Prima di questo: Stechiometria
1Calore e temperatura
Il calore (q) è l’energia che passa da un oggetto caldo a uno più freddo. Si misura in joule (J) o chilojoule (1 kJ = 1000 J).
La temperatura dice quanto è caldo qualcosa. Il calore è ciò che cambia la temperatura.
Riscaldare 1 kg di acqua di 10 °C richiede più energia che riscaldare di 10 °C 1 kg di ferro. Ogni sostanza ha il proprio calore specifico c: il calore necessario per scaldare 1 g di 1 °C.
Per l’acqua, c = 4,18 J/(g·°C). Per l’alluminio è 0,897 J/(g·°C), per il piombo solo 0,129 J/(g·°C). L’acqua è difficile da scaldare, i metalli sono facili.
Il calore necessario per un cambio di temperatura è:
q = m · c · ΔT
Qui m è la massa in grammi e ΔT = Tfinal − Tinitial. Un q positivo significa che il calore viene assorbito; un q negativo significa che il calore viene ceduto.
Autoverifica Quanto calore serve per scaldare 100 g di acqua di 10 °C (c = 4,18 J/(g·°C))?
- 0,418 kJ
- 4,18 kJ
- 41,8 kJ
- 418 J
Risposta: 4,18 kJ. q = 100 · 4,18 · 10 = 4180 J = 4,18 kJ. 418 J dimentica di moltiplicare per ΔT, e 41,8 kJ sbaglia di un fattore 10 nella conversione da J a kJ.
2Il calorimetro: calore ceduto = calore assorbito
Un calorimetro è un recipiente isolato. Nessun calore ne esce, quindi tutto il calore ceduto da una cosa è assorbito dall’altra.
Lascia cadere un blocco di metallo caldo in acqua fredda. Il blocco si raffredda, l’acqua si scalda, finché entrambi raggiungono la stessa temperatura finale Tf.
mm · cm · (Tm − Tf) = mw · cw · (Tf − Tw)
Il lato sinistro è il calore ceduto dal metallo, quello destro il calore assorbito dall’acqua. Entrambi sono scritti come numeri positivi.
Ricavando Tf si ottiene una media pesata delle due temperature iniziali, dove ogni peso è m · c:
Tf = (mmcmTm + mwcwTw) / (mmcm + mwcw)
Poiché l’acqua ha un grande m · c, Tf di solito finisce vicina alla temperatura dell’acqua.
Autoverifica Un blocco di metallo caldo viene lasciato cadere in acqua fredda in un recipiente isolato. Dove deve stare la temperatura finale?
- Esattamente a metà tra le due temperature iniziali
- Sopra la temperatura iniziale del metallo
- Sotto la temperatura iniziale dell’acqua
- Tra le due temperature iniziali
Risposta: Tra le due temperature iniziali. Il metallo si raffredda e l’acqua si scalda finché si incontrano, quindi Tf sta tra le due. Sta a metà solo se entrambi hanno lo stesso m · c, cosa rara.
3Entalpia di reazione
Anche le reazioni assorbono o cedono calore. A pressione costante questo calore è la variazione di entalpia ΔH, in kJ.
- Esotermica: ΔH è negativa. La reazione cede calore, come un combustibile che brucia.
- Endotermica: ΔH è positiva. La reazione assorbe calore, come una borsa del ghiaccio istantaneo.
L’entalpia standard di formazione ΔH°f è la ΔH per ottenere 1 mol di una sostanza dai suoi elementi. Per un elemento nella sua forma normale, come O₂ o C, è 0.
Con questi valori presi da una tabella, trovi ΔH° di qualsiasi reazione:
ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti)
Moltiplica ogni ΔH°f per il coefficiente di quella sostanza nell’equazione bilanciata. Questo funziona grazie alla legge di Hess: la ΔH totale non dipende dal percorso dall’inizio alla fine.
Autoverifica Trova ΔH° per CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Usa ΔH°f: CH₄ −74,8, CO₂ −393,5, H₂O(l) −285,8 kJ/mol.
- +890,3 kJ
- −1039,9 kJ
- −604,5 kJ
- −890,3 kJ
Risposta: −890,3 kJ. Prodotti: −393,5 + 2 · (−285,8) = −965,1. Meno i reagenti: −965,1 − (−74,8) = −890,3 kJ. −604,5 dimentica il coefficiente 2 dell’acqua, e +890,3 sottrae al contrario.
4Il metodo passo dopo passo
Riscaldamento:
- Scrivi q = m · c · ΔT e inserisci ciò che è dato. Converti i kJ in J (× 1000) in modo che le unità corrispondano a c.
- Ricava l’incognita: q, ΔT, m o c.
Calorimetro:
- Scrivi calore ceduto dall’oggetto caldo = calore assorbito da quello freddo.
- Metti Tf in entrambe le differenze di temperatura, caldo meno Tf e Tf meno freddo.
- Ricava Tf e controlla che stia tra le due temperature iniziali.
Entalpia di formazione:
- Moltiplica ogni ΔH°f per il suo coefficiente. Gli elementi valgono 0.
- ΔH° = somma per i prodotti − somma per i reagenti.
- Per il calore di una data massa, converti la massa in moli e scala ΔH° a quella quantità.
5Un esempio svolto
Segui ogni passaggio. Prova a prevedere il successivo prima di aprirlo.
Esempio svoltoUn blocco di alluminio da 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 110 °C viene lasciato cadere in 200 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.
1Alluminio: 100 · 0,897 = 89,7 J/°C. Acqua: 200 · 4,18 = 836 J/°C.
L’acqua richiede molto più calore per grado, quindi Tf sarà vicina a 20 °C.
2Calore ceduto dall’alluminio = calore assorbito dall’acqua.
89,7 · (110 − Tf) = 836 · (Tf − 20)
39867 − 89,7·Tf = 836·Tf − 16 720
Tf = (9867 + 16 720) / (89,7 + 836) = 26 587 / 925,7 = 28,7 °C
4Calore ceduto dall’alluminio: 89,7 · (110 − 28,7) ≈ 7290 J. Calore assorbito dall’acqua: 836 · (28,7 − 20) ≈ 7290 J. Sono uguali.
E 28,7 °C sta tra 20 °C e 110 °C, vicino alla temperatura dell’acqua, come previsto.
6Errori comuni
- Mescolare J e kJ. I calori specifici sono in J, quindi converti prima i kJ in J.
- Usare la massa sbagliata, per esempio la massa del metallo con il calore specifico dell’acqua.
- Scrivere ΔT come iniziale meno finale. Allora il segno di q è sbagliato.
- In un calorimetro, scrivere entrambi i lati come Tf meno l’iniziale. Allora un lato è negativo e il bilancio non torna.
- Dimenticare i coefficienti quando si sommano le entalpie di formazione.
- Calcolare reagenti meno prodotti, il che inverte il segno di ΔH°.
Autoverifica Vengono aggiunti 78 kJ di calore a 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)). Qual è l’aumento di temperatura?
- 0,0214 °C
- 0,0467 °C
- 195 °C
- 46,7 °C
Risposta: 46,7 °C. ΔT = q / (m · c) = 78 000 / (400 · 4,18) = 46,7 °C. Lasciare q in kJ dà 0,0467 °C, dimenticare c dà 78 000 / 400 = 195 °C, e capovolgere la frazione dà 0,0214 °C.
7Come sono fatte le domande d’esame
- Facile: riscaldamento con q = m·c·ΔT. Trova il calore per scaldare l’acqua tra due temperature, oppure l’aumento di temperatura da un dato calore.
- Medio: calorimetro. Un blocco di metallo caldo in acqua fredda; trova la temperatura finale con calore ceduto = calore assorbito.
- Difficile: entalpia di formazione. Trova ΔH° di una combustione da una tabella, oppure il calore sviluppato quando brucia una data massa.
Esempio di domanda difficile: l’etanolo brucia con ΔH° = −1366,7 kJ/mol. 50 g di etanolo (M = 46,07 g/mol) sono 1,085 mol, quindi sviluppano 1,085 · 1366,7 ≈ 1483 kJ.
Impara passo dopo passo nell’appImpara passo dopo passo nell’app