Entalpia di reazione standard: esotermico, endotermico e ΔH°f

Quando una reazione libera calore diciamo che è esotermica, quando lo assorbe che è endotermica. Il numero che quantifica questo scambio è l’entalpia di reazione ΔH: positiva o negativa, dice quanto calore entra o esce a pressione costante. E grazie alle entalpie standard di formazione tabulate, ΔH si può calcolare a tavolino, senza misurarla in laboratorio.

Vediamo che cos’è l’entalpia di reazione, il significato del segno, che cosa sono le entalpie di formazione e come combinarle per ottenere il ΔH di qualunque reazione.

L’entalpia di reazione e il suo segno

L’entalpia di reazione ΔH è il calore scambiato dalla reazione a pressione costante, riferito alle quantità indicate nell’equazione bilanciata. Il suo segno dice tutto sul verso dello scambio:

ΔH < 0: esotermica  ·  ΔH > 0: endotermica

Una reazione esotermica ha ΔH negativo: i prodotti hanno meno entalpia dei reagenti, e la differenza viene rilasciata come calore all’ambiente (la combustione, la maggior parte delle reazioni spontanee). Una reazione endotermica ha ΔH positivo: i prodotti hanno più entalpia, e questa energia viene assorbita dall’ambiente (per esempio molte dissoluzioni che raffreddano la soluzione). L’entalpia è una funzione di stato: dipende solo dagli stati iniziale e finale, non dal cammino.

Le entalpie standard di formazione

Per non dover misurare ogni reazione, si tabulano le entalpie standard di formazione ΔH°_f: l’entalpia di reazione per formare una mole di un composto a partire dagli elementi nei loro stati standard (la forma stabile a 25 °C e 1 bar). Per definizione, l’entalpia di formazione di un elemento nella sua forma stabile (ossigeno gassoso O₂, carbonio grafite, ecc.) è zero: è il punto di riferimento da cui si misurano tutte le altre.

Calcolare ΔH da entalpie di formazione

Il vantaggio delle entalpie di formazione è che permettono di calcolare il ΔH di qualunque reazione con una semplice somma algebrica: l’entalpia di reazione è la somma delle entalpie di formazione dei prodotti (pesate per i coefficienti) meno quella dei reagenti:

ΔH°_reaz = Σ n · ΔH°_f(prodotti) − Σ n · ΔH°_f(reagenti)

In parole: «prodotti meno reagenti», ciascuno moltiplicato per il proprio coefficiente stechiometrico. La logica è quella di un bilancio: si immagina di scomporre i reagenti nei loro elementi (annullando la loro entalpia di formazione) e di ricomporli nei prodotti. Poiché l’entalpia è una funzione di stato, il risultato non dipende dal percorso immaginato, ma solo dai valori tabulati.

Le equazioni termochimiche

Un’equazione termochimica riporta la reazione bilanciata, gli stati fisici di tutte le specie e il valore di ΔH associato a quelle quantità. Due regole pratiche ne discendono. Primo: se si raddoppiano i coefficienti, ΔH raddoppia, perché si riferisce a un doppio quantitativo. Secondo: invertendo la reazione, ΔH cambia segno, perché ciò che era rilasciato viene ora assorbito (e viceversa). Queste due proprietà sono la base per combinare le reazioni, come fa la legge di Hess. È per questo che l’entalpia è lo strumento centrale della termochimica: tabulata una volta per i composti, permette di prevedere il calore di reazioni mai misurate direttamente.

Alcune entalpie standard di formazione

Una piccola raccolta di valori tipici (in kJ/mol, a 25 °C) mostra come gli elementi stabili abbiano ΔH°_f nullo e i composti valori negativi (stabili) o positivi:

Inserendo questi valori nella formula «prodotti meno reagenti» si ricava il ΔH di una reazione qualsiasi che coinvolga queste specie. È così che, per esempio, si calcola il calore di combustione di un idrocarburo senza accendere nulla in laboratorio: bastano le entalpie di formazione tabulate dei reagenti e dei prodotti.

Domande frequenti

Che cos’è l’entalpia di reazione?

È il calore scambiato da una reazione a pressione costante, riferito alle quantità dell’equazione bilanciata. Si indica con ΔH ed è una funzione di stato: dipende solo dagli stati iniziale e finale. Un ΔH negativo indica una reazione esotermica (che libera calore), uno positivo una endotermica (che lo assorbe).

Qual è la differenza fra reazione esotermica ed endotermica?

Una reazione esotermica rilascia calore all’ambiente e ha ΔH negativo: i prodotti hanno meno entalpia dei reagenti. Una endotermica assorbe calore e ha ΔH positivo: i prodotti ne hanno di più. Le combustioni sono esotermiche; molte dissoluzioni che raffreddano la soluzione sono endotermiche.

Che cos’è l’entalpia standard di formazione?

È la variazione di entalpia per formare una mole di un composto a partire dai suoi elementi nei rispettivi stati standard. Per gli elementi nella loro forma più stabile vale zero, perché sono il punto di riferimento. I valori tabulati di ΔH°_f permettono di calcolare il ΔH di moltissime reazioni senza misurarle.

Come si calcola il ΔH di una reazione dalle entalpie di formazione?

Si somma le entalpie di formazione dei prodotti, ciascuna moltiplicata per il suo coefficiente, e si sottrae la somma analoga dei reagenti: ΔH = Σ(prodotti) − Σ(reagenti). Il metodo funziona perché l’entalpia è una funzione di stato, quindi il risultato dipende solo dai valori iniziali e finali e non dal percorso.

Perché bisogna indicare gli stati fisici nelle equazioni termochimiche?

Perché l’entalpia dipende anche dallo stato fisico delle specie: formare acqua liquida o vapore comporta valori di ΔH diversi (di una quantità pari al calore di vaporizzazione). Indicare se una sostanza è solida, liquida o gassosa è quindi indispensabile per assegnare il valore corretto e per fare bilanci coerenti.