Entalpia reacției

Entalpia reacției $\Delta H$ exprimă efectul termic la presiune constantă pentru ecuația chimică scrisă. La combustie, un combustibil reacționează cu oxigenul și cedează căldură; la neutralizarea acidului tare cu baza tare se formează apă și se cedează căldură. Dizolvarea $\mathrm{NaOH}$ în apă este exotermă, iar dizolvarea $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ este endotermă. Valoarea lui $\Delta H$ se raportează la coeficienții ecuației: dacă întreaga ecuație se înmulțește cu doi, se dublează și efectul termic. La inversarea sensului reacției, semnul lui $\Delta H$ se schimbă.

Entalpia $H$ este o mărime de stare, iar variația ei $\Delta H$ este căldura schimbată la presiune constantă, exprimată în kJ pentru ecuația scrisă sau în kJ/mol raportat la un mol de substanță. O ecuație termochimică precizează starea de agregare a fiecărei substanțe, pentru că ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$ au entalpii diferite. Condițiile standard sunt $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $1$ atm, iar efectul termic corespunzător se notează $\Delta H^{\circ }$.

Efectele termice se denumesc după transformarea la care se referă:

• entalpia de formare $\Delta H_f^{\circ }$ se referă la formarea unui mol de compus din elementele sale în starea standard; pentru un element în starea standard, de exemplu ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$, ${\mathrm{H}}_2(\mathrm{g})$ sau carbonul grafit, $\Delta H_f^{\circ }=0$;
• entalpia de combustie se referă la arderea completă a unui mol de substanță, până la $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$, și este negativă;
• entalpia de neutralizare se referă la formarea unui mol de apă din ionii ${\mathrm{H}}^{+}$ și $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$; la acizii tari cu baze tari are valoarea de aproximativ $-57$ kJ/mol, indiferent de acid și de bază, deoarece procesul net este același, ${\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$;
• entalpia de dizolvare se referă la dizolvarea unui mol de substanță într-o cantitate mare de apă: $\Delta H=-44,5$ kJ/mol pentru $\mathrm{NaOH}$ și $+25,7$ kJ/mol pentru $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$.

O singură ecuație poate corespunde la două definiții deodată. Reacția ${\mathrm{H}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$ este atât arderea unui mol de hidrogen, cât și formarea unui mol de apă lichidă, deci ambele entalpii sunt $-286$ kJ/mol. Analog, arderea grafitului, $\mathrm{C}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, are $\Delta H=-394$ kJ/mol, valoare egală cu entalpia de formare a dioxidului de carbon.

Efectul termic al unei reacții se calculează din entalpiile de formare: $\Delta H^{\circ }=\sum \nu \Delta H_f^{\circ }(\text{produși})-\sum \nu \Delta H_f^{\circ }(\text{reactanți})$, unde $\nu$ sunt coeficienții ecuației.

Exemplul 1: entalpia de combustie a propanului, ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8(\mathrm{g})+5{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\to 3C{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$, cu $\Delta H_f^{\circ }$ în kJ/mol: $-104$ pentru ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8$, $-394$ pentru $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și $-286$ pentru ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$.

1. Suma pentru produși: $3\cdot (-394)+4\cdot (-286)=-1182-1144=-2326$ kJ.
2. Suma pentru reactanți: $-104+5\cdot 0=-104$ kJ, deoarece ${\mathrm{O}}_2$ este element în starea standard.
3. $\Delta H^{\circ }=-2326-(-104)=-2222$ kJ, adică $-2222$ kJ/mol de propan.

Căldura de reacție se măsoară într-un calorimetru, cu relația $q=m\cdot c\cdot \Delta T$, unde $c=4,18$ J/(g·K) pentru apă sau soluții diluate.

Exemplul 2: se amestecă $100$ mL de soluție $\mathrm{HCl}$ $1,0$ M cu $100$ mL de soluție $\mathrm{NaOH}$ $1,0$ M, iar temperatura crește cu $6,8$ K. Densitatea soluțiilor este $1$ g/mL, iar căldura absorbită de calorimetru se neglijează.

1. $m=200$ g, deci $q=200\cdot 4,18\cdot 6,8=5685$ J $\approx 5,7$ kJ.
2. $n({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=0,100\cdot 1,0=0,10$ mol.
3. Căldura se cedează de către sistem, deci $\Delta H=-5,7/0,10=-57$ kJ/mol.

Exemplul 3: se dizolvă $8,0$ g de $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ în $100$ g de apă. $M=80$ g/mol, deci $n=0,10$ mol și se absorb $0,10\cdot 25,7=2,57$ kJ. Masa soluției este $108$ g, deci temperatura scade cu $\Delta T=2570/(108\cdot 4,18)=5,7$ K.

Cât etanol lichid, cu $\Delta H_c=-1367$ kJ/mol, trebuie ars pentru a încălzi $1,0$ kg de apă cu $50$ K, dacă toată căldura ajunge la apă?

1. $q=1000\cdot 4,18\cdot 50=209000$ J $=209$ kJ.
2. $n({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH})=209/1367=0,153$ mol.
3. $M=2\cdot 12+6+16=46$ g/mol, deci $m=0,153\cdot 46=7,0$ g.

Ce căldură se degajă la arderea a $11$ g de propan, dacă $\Delta H_c=-2222$ kJ/mol? Se calculează $M({\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8)=3\cdot 12+8=44$ g/mol, apoi $n=11/44=0,25$ mol și $Q=0,25\cdot 2222=555,5$ kJ cedați mediului.

Sinteza amoniacului, ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\to 2N{\mathrm{H}}_3$, are $\Delta H=-92$ kJ. Ce volum de hidrogen (c.n.) reacționează când se degajă $46$ kJ? Raportul $46/92=0,5$ arată că reacționează jumătate din cantitatea din ecuație: $n({\mathrm{H}}_2)=0,5\cdot 3=1,5$ mol, adică $V=1,5\cdot 22,4=33,6$ L.

Tip complement grupat:

1. entalpia standard de formare a ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$ este zero;
2. la dublarea tuturor coeficienților unei ecuații, $\Delta H$ se dublează;
3. entalpia de combustie a unei substanțe organice este negativă;
4. la inversarea ecuației, $\Delta H$ rămâne neschimbat.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Răspuns corect: A. Oxigenul gazos este element în starea standard, deci $\Delta H_f^{\circ }=0$. Efectul termic este proporțional cu coeficienții ecuației, deci se dublează odată cu ei. O ardere cedează căldură, deci entalpia de combustie este negativă. Afirmația 4 este falsă: la inversarea ecuației $\Delta H$ își schimbă semnul.

Dacă enunțul dă apa ca produs, verifică starea ei de agregare înainte de a alege valoarea din tabel, fiindcă ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$ au entalpii de formare diferite. Verifică și dacă $\Delta H$ se raportează la ecuația scrisă sau la un mol de substanță: unitatea kJ se referă la întreaga ecuație, iar kJ/mol la un mol dintr-o substanță precizată în enunț.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\Delta H=-572$ kJ se aplică unui singur mol de apă în ecuația $2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})$.
  Corect: se aplică celor doi moli de apă formați.
• Greșit: Înmulțirea ecuației cu doi lasă $\Delta H$ neschimbat.
  Corect: dublează și efectul termic.
• Greșit: Entalpia de formare a oxigenului gazos este diferită de zero, fiindcă oxigenul este reactiv.
  Corect: pentru orice element în starea sa standard, $\Delta H_f^{\circ }=0$, deci și pentru ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$.
• Greșit: La calculul lui $\Delta H^{\circ }$ se scad entalpiile de formare ale produșilor din ale reactanților.
  Corect: se scad entalpiile reactanților din ale produșilor, fiecare înmulțită cu coeficientul din ecuație.
• Greșit: Entalpia de neutralizare diferă mult între $\mathrm{HCl}$ și $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$ cu $\mathrm{NaOH}$.
  Corect: valoarea este aproape aceeași, deoarece în ambele cazuri procesul net este ${\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Înainte și după