Calcolatore dell'Entalpia

Questo calcolatore dell'entalpia ti aiuterà a calcolare la variazione dell'entalpia di una reazione. Continua a leggere per scoprire come calcolare l'entalpia e la sua definizione. Ti spiegheremo anche la differenza tra reazioni endotermiche ed esotermiche e ti forniremo un esempio di calcolo.

L'entalpia misura l'energia totale di un sistema termodinamico sotto forma di energia interna o di volume moltiplicato per la pressione. È una funzione di stato che dipende solo dallo stato di equilibrio di un sistema.

Il valore più interessante è il cambio di entalpia, ovvero l'energia totale scambiata all'interno di un sistema. Si tratta di una descrizione semplificata del trasferimento di energia (l'energia è sotto forma di calore o di lavoro svolto durante l'espansione).

Esistono due tipi principali di reazioni termodinamiche — endotermiche ed esotermiche. Una reazione endotermica causa l'assorbimento di calore dall'ambiente circostante. Una reazione esotermica rilascia calore nell'ambiente circostante.

Entrambi questi tipi di reazione causano differenze di livello energetico e, quindi, differenze di entalpia. Nello specifico, per questo calcolatore, tutto ciò che devi ricordare è:

• Se la reazione è endotermica, la variazione di entalpia è positiva, poiché il calore viene guadagnato (assorbito dall'ambiente circostante); e
• Se la reazione è esotermica, la variazione di entalpia è negativa, in quanto il calore viene perso (ceduto all'ambiente circostante).

L'entalpia, per definizione, è la somma dell'energia interna del sistema e del prodotto del volume e della pressione del sistema:

dove $U$ indica l'energia interna, $p$ la pressione e $V$ il volume. Nota che la seconda parte ricorda da vicino le equazioni che abbiamo conosciuto nel calcolatore per le leggi dei gas 🇺🇸 — la relazione tra pressione e volume ci permette di trovare una connessione simile tra quantità di materia e temperatura.

Se vuoi calcolare la variazione di entalpia, però, devi considerare due stati — quello iniziale e quello finale. Supponiamo che la pressione sia costante durante la reazione. In questo caso, la variazione di entalpia è effettivamente:

oppure, in un modo semplificato:

dove:

• $U_2$ e $V_2$ — Energia interna e volume dei prodotti della reazione, rispettivamente;
• $U_1$ e $V_1$ — Energia interna e volume dei reagenti, rispettivamente;
• $p$ — Pressione costante;
• $ΔU$ — Variazione dell'energia interna;
• $ΔV$ — Variazione di volume; e
• $ΔH$ — Variazione dell'entalpia.

Per problemi più specifici, possiamo definire l'entalpia standard di formazione di un composto, indicata come $ΔH_\mathrm{f}\degree$. Rappresenta la variazione di entalpia durante la formazione di una mole di una sostanza in condizioni temperatura e pressione standard ($p = 10^5\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{bar}$ e $T = 25 \degree \mathrm{C} = 298,\!15\ \mathrm{K}$), a partire dai suoi elementi puri nei rispettivi stati di riferimento.

Lo stato di riferimento di un elemento è la sua configurazione più stabile nelle condizioni sopra citate. Alcuni esempi di stati di riferimento sono l'azoto sotto forma di molecole di gas $\mathrm N_{2}$ e il carbonio sotto forma di grafite.

La formula standard dell'entalpia di formazione di una reazione è la seguente:

dove:

• $ΔH\degree_\mathrm{reazione}$ — Variazione dell'entalpia standard di formazione espressa in kJ;
• $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{prodotti})$ — Somma delle entalpie standard di formazione dei prodotti espresse in kJ/mol; e
• $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagenti})$ — Somma delle entalpie standard di formazione dei reagenti, espresse in kJ/mol.

Se fai attenzione, avrai notato che $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{prodotti})$ e $ΔH_\mathrm{f}\degree(\mathrm{reagenti})$ hanno unità di misura diverse da $ΔH\degree_\mathrm{reazione}$. La ragione è che è necessario moltiplicarli per il numero di moli, cioè il coefficiente prima del composto nella reazione. Più avanti ti mostreremo un esempio che dovrebbe spiegare tutto.

Ma prima di questo, potresti chiederti: "Come posso calcolare l'entalpia di formazione standard per ogni composto?" La risposta più semplice è quella di utilizzare la tabella delle entalpie standard di formazione! Ecco un esempio:

I simboli tra parentesi indicano lo stato:

• $\mathrm{s}$ — Solido,
• $\mathrm{l}$ — Liquido,
• $\mathrm{g}$ — Gas; e
• $\mathrm{aq}$ — Disciolto in acqua.

Se hai bisogno dell'entalpia standard di formazione per altre sostanze, seleziona il composto corrispondente nell'elenco a tendina del calcolatore dell'entalpia. Abbiamo incluso tutti i composti più comuni!

Mettiamo in pratica le conoscenze appena acquisite utilizzando la tabella delle entalpie di standard formazione. Ad esempio, abbiamo la reazione successiva:

Qual è la variazione di entalpia in questo caso? Sommiamo $ΔH_\mathrm{f}\degree$ per $\mathrm{SO}_{2\mathrm{(g)}}$ e $O_{2\mathrm{(g)}}$, e sottraiamo $ΔH_\mathrm{f}\degree$ per $\mathrm{SO}_{3\mathrm{(g)}}$. Ricorda di moltiplicare i valori per i coefficienti corrispondenti!

Nota che il coefficiente delle unità $\mathrm{mol}$ elimina il $\mathrm{mol}$ nel denominatore, quindi la risposta finale è in $\mathrm{kJ}$:

Tutto qui! In ogni caso, non pensate che il nostro calcolatore dell'entalpia è un modo più veloce rispetto a tutti questi calcoli tediosi?

Il calcolatore dell'entalpia ha due modalità. Puoi calcolare la variazione di entalpia dallo schema di reazione o utilizzando la formula dell'entalpia. Se selezioni la prima:

1. Guarda lo schema di reazione che è apparso nella parte superiore del calcolatore. Hai bisogno di un reagente/prodotto aggiuntivo (C o F)? Se sì, inserisci un terzo coefficiente e seleziona una sostanza nell'elenco a tendina apposito (oppure seleziona Personalizzato).

2. Compila i campi della sezione Reagenti. Devi indicare il coefficiente prima del composto e selezionare la sostanza dall'elenco a discesa (sono ordinati alfabeticamente). Se non riesci a trovare quello giusto, seleziona l'opzione Custom e inserisci l'entalpia di formazione standard in kJ/mol (se non ce l'hai a portata di mano, consulta alcune tabelle di riferimento online, come questa su Chemistry LibreTexts).

3. Fai la stessa cosa per i Prodotti.

4. Verifica lo schema di reazione qui sotto e leggi il risultato. Questa è la variazione d'entalpia standard di formazione per la tua reazione!

5. Opzionalmente, controlla la tabella delle entalpie standard di formazione (per i tuoi scelti composti) che abbiamo elencato in fondo alla pagina.

Se vuoi calcolare la variazione di entalpia dalla formula dell'entalpia:

1. Inizia a determinare la variazione di volume della tua sostanza. Supponiamo che il tuo liquido si sia espanso di $5$ litri.

2. Trova la variazione dell'energia interna della sostanza. Supponiamo che l'energia della tua sostanza sia aumentata di $2000\ \mathrm{J}$.

3. Misura la pressione dell'ambiente circostante. Assumeremo $1$ atmosfera.

4. Inserisci tutti questi valori nell'equazione $ΔH = ΔU + p\times ΔV$ per ottenere la variazione di entalpia:

5. Il nostro calcolatore dell'entalpia* è anche in grado di trovare l'entalpia in base all'energia interna iniziale e finale, e al volume.