L’energia di legame e il calore di reazione: esercizi risolti
L’energia di legame rappresenta la quantità di energia necessaria per rompere un legame chimico in una mole di una sostanza.
L. Pauling ha costruito una tabella di energie di legame sulla base di dati termochimici e spettroscopici, comprendente valori empirici dell’energia di legame in kcal/mol. Ad esempio, il legame H-H ha un’energia di 104.2 kcal/mol, mentre il legame C-C ha un’energia di 83.1 kcal/mol.
Il calcolo dell’energia di legame si basa sull’ipotesi che in molecole del tipo ABn, l’energia relativa a uno di questi legami può essere considerata come 1/n dell’energia totale richiesta per separare la molecola negli atomi che la compongono.
Esempio di calcolo: il calore di formazione dell’n-butano, ottenuto combinando calcoli per la formazione di 4 atomi di carbonio gassosi, 5 molecole di idrogeno gassoso e la formazione del butano stesso, è di -29.5 kcal.
L’energia di risonanza è considerata negli esempi di molecole come il benzene, la naftalene, l’antracene, il fenantrene, il difenile, lo stirene, la piridina, il pirrolo, il furano, il tiofene. Queste energie di risonanza sono determinate sperimentalmente e influenzano il calore di formazione di queste molecole.
Nel caso del benzene, ad esempio, si verifica una differenza di 37 kcal tra il calore di formazione calcolato e quello sperimentale a causa delle strutture di risonanza possibili.
Inoltre, L. Pauling ha costruito una tabella di energie di risonanza secondo i dati tabulati, che includono valori empirici delle energie di risonanza in kcal/mol per diverse molecole.
Il calcolo dell’energia di legame e il riconoscimento delle energie di risonanza sono importanti nel determinare i calori di formazione e comprendere le proprietà delle molecole e dei legami chimici.
Calcolo dell’entalpia di combustione della benzaldeide e confronto con i dati sperimentali
Per calcolare la variazione di entalpia associata alla combustione di una mole di benzaldeide, andiamo a valutare la reazione di combustione:
C6H5-CHO (g) + 8 O2(g) → 7 CO2(g) + 3 H2O(g)
La determinazione dell’entalpia di combustione è una procedura importante in chimica per valutare la quantità di calore scambiata durante la reazione di combustione.
Per valutare questa variazione di entalpia, è necessario considerare le energie di legame relative ai reagenti e ai prodotti.
Energia di legame dei reagenti:
– 6 legami C-H: 6 * 98.8 = 592.8
– 4 legami C-C: 4 * 83.1 = 332.4
– 3 legami C=C: 3 * 147 = 441
– 1 legame C=O: 171
– 8 legami O=O: 3 * 118.3 = 946.4
– Risonanza dell’anello benzenico: 37
– Risonanza del gruppo aldeidico: 4
– Totale: 2524.6
Energia di legame dei prodotti:
– 14 legami C=O: 14 * 174 = 2436
– 6 legami O-H: 6 * 110.6 = 663.6
– Risonanza CO2: 7 * 36 = 252
– Totale: 3351.6
La variazione di entalpia (ΔH) è data dalla differenza tra la somma delle energie di legame dei prodotti e dei reagenti, con un cambio di segno:
ΔH = – (3351.6 – 2524.6) = -827.0
Il calore di combustione sperimentale della benzaldeide a 20°C e pressione atmosferica standard è ΔH = -841.3, il che concorda ragionevolmente con il calore di combustione calcolato.
È importante sottolineare che il dato sperimentale si riferisce alla reazione:
C6H5-CHO(l) + 8 O2(g) → 7 CO2(g) + 3 H2O(l)
In questa reazione, sia C6H5-CHO che H2O sono presenti sotto forma liquida, a differenza della reazione precedente in cui erano presenti sotto forma gassosa.
Il calcolo dell’entalpia fornisce informazioni importanti sulle reazioni chimiche e sulle quantità di calore coinvolte, permettendo di confrontare i dati teorici con quelli sperimentali.