Calorimetria ed entalpia: esercizi con soluzioni passo passo

Esercizi gratuiti su Calorimetria ed entalpia con schemi, suggerimenti e soluzioni svolte complete. Valori nuovi ogni volta, su tre livelli: riscaldamento con q = m·c·ΔT, calorimetro, entalpia di formazione.

Esercizio gratuitoFacile
acquam = 500 gT1​ = 25 °C → T2​ = 65 °Cq = ?

Quanto calore q serve per scaldare 500 g di acqua da 25 °C a 65 °C? Il calore specifico dell’acqua è 4,18 J/(g·°C). Dai il risultato in kJ.

m = 500 gT1 = 25 °CT2 = 65 °Cc = 4,18 J/(g·°C)
kJ
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Su cosa ti eserciti

  1. Facileriscaldamento con q = m·c·ΔT
  2. Mediacalorimetro
  3. Difficileentalpia di formazione

Formule chiave

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

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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))?
  1. 0,418 kJ
  2. 4,18 kJ
  3. 41,8 kJ
  4. 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.

20 °C110 °CTw​Tm​Tf​+q−q
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?
  1. Esattamente a metà tra le due temperature iniziali
  2. Sopra la temperatura iniziale del metallo
  3. Sotto la temperatura iniziale dell’acqua
  4. 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.
  1. +890,3 kJ
  2. −1039,9 kJ
  3. −604,5 kJ
  4. −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:

  1. 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.
  2. Ricava l’incognita: q, ΔT, m o c.

Calorimetro:

  1. Scrivi calore ceduto dall’oggetto caldo = calore assorbito da quello freddo.
  2. Metti Tf in entrambe le differenze di temperatura, caldo meno Tf e Tf meno freddo.
  3. Ricava Tf e controlla che stia tra le due temperature iniziali.

Entalpia di formazione:

  1. Moltiplica ogni ΔH°f per il suo coefficiente. Gli elementi valgono 0.
  2. ΔH° = somma per i prodotti − somma per i reagenti.
  3. 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 svolto

Un 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.

1

Trova m · c per ciascuna parte

Alluminio: 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.

2

Scrivi il bilancio termico

Calore ceduto dall’alluminio = calore assorbito dall’acqua.

89,7 · (110 − Tf) = 836 · (Tf − 20)
3

Ricava Tf

9867 − 89,7·Tf = 836·Tf − 16 720
Tf = (9867 + 16 720) / (89,7 + 836) = 26 587 / 925,7 = 28,7 °C
4

Controlla il risultato

Calore ceduto dall’alluminio: 89,7 · (110 − 28,7) ≈ 7290 J. Calore assorbito dall’acqua: 836 · (28,7 − 20) ≈ 7290 J. Sono uguali.

20 °C110 °CTw​Tm​Tf​+q−q

E 28,7 °C sta tra 20 °C e 110 °C, vicino alla temperatura dell’acqua, come previsto.

Risposta

Tf ≈ 28,7 °C

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?
  1. 0,0214 °C
  2. 0,0467 °C
  3. 195 °C
  4. 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.

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
acquam = 1000 gT1​ = 30 °C → T2​ = 75 °Cq = ?

Quanto calore q serve per scaldare 1000 g di acqua da 30 °C a 75 °C? Il calore specifico dell’acqua è 4,18 J/(g·°C). Dai il risultato in kJ.

m = 1000 gT1 = 30 °CT2 = 75 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Calcola q (kJ)

Mostra i suggerimenti
  1. q = m·c·ΔT.
  2. ΔT = 75 − 30 = 45 °C.
  3. Il risultato è in J; dividi per 1000 per averlo in kJ.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Calore necessario

q = 1000·4,18·45 = 188100 J = 188,1 kJ

Risposta

q = 188,1 kJ
Esempio 2Media
Tf​ = ?Alluminiom = 50 gT = 120 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 120 °C viene immerso in 400 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)

Calcola Tf (°C)

Mostra i suggerimenti
  1. Calore ceduto dal metallo = calore assorbito dall’acqua.
  2. m₁·c₁·(T₁ − Tf) = m₂·c₂·(Tf − T₂). Ricava Tf.
  3. m·c (metallo) = 44,85 J/°C, m·c (acqua) = 1672 J/°C.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

50·0,897·(120 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Ricava la temperatura finale

Tf = (44,85·120 + 1672·15)/(44,85 + 1672) = 17,74 °C

Risposta

Tf = 17,74 °C
Esempio 3Difficile
H25 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagenti6CO₂ + 6H₂O(l)prodottiq = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare il calore q liberato quando 25 g di C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) bruciano completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dai q come numero positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

Calcola q (kJ)

Mostra i suggerimenti
  1. ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna per il proprio coefficiente. O₂ è un elemento, quindi il suo valore è 0.
  2. prodotti: 6·(−393,5) + 6·(−285,8) = −4076 kJ.
  3. Dividi ΔH per il numero di moli di combustibile nell’equazione, poi moltiplica per le moli bruciate.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calore per la massa data

n = 25/180,16 = 0,1388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Risposta

q = 388,8 kJ

Domande e risposte

Calorimetria ed entalpia: di cosa si tratta?

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.

Calorimetria ed entalpia: come si risolvono gli esercizi passo per passo?

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Calorimetria ed entalpia: quali sono gli errori più comuni?
  • Usa la variazione di temperatura ΔT = T₂ − T₁, non la temperatura finale.
  • La temperatura finale non è la media: ogni parte conta con la sua massa per il calore specifico (m·c).
  • Includi i calori specifici: l’acqua immagazzina molto più calore per grammo del metallo.
Calorimetria ed entalpia: che cosa si esercita?
  • Facile: riscaldamento con q = m·c·ΔT
  • Media: calorimetro
  • Difficile: entalpia di formazione

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