Le reazioni esotermiche sono reazioni chimiche che avvengono con variazione negativa di entalpia e rilascio di energia sotto forma di calore.
In generale una reazione esotermica può essere così rappresentata:
A + B → C + D + calore
Nella reazione si rompono i legami presenti nei reagenti e si formano nuovi legami nei prodotti. Tutti i legami chimici hanno una certa forza e necessitano di una determinata energia per potersi rompere. Quest’ultima è fornita dalla collisione tra i reagenti o da un riscaldamento esterno; analogamente la formazione di legami chimici comporta l’emissione di energia. La variazione complessiva di energia durante una reazione chimica, detta calore di reazione è indicata con ΔH ed è espressa in genere in kJ/mol.
A seconda della variazione di energia che si verifica le reazioni chimiche sono classificate in reazioni esotermiche e reazioni endotermiche.
Nelle reazioni esotermiche l’energia è fornita sotto forma di calore; l’energia del prodotti Hp è quindi minore rispetto a quella dei reagenti Hr e quindi la variazione di energia, più nota come variazione di entalpia ΔH è minore di zero in quanto ΔH = Hp – Hr. Infatti poiché Hp< Hr si ha ΔH < 0. Un esempio di reazione esotermica è la combustione in cui l’energia viene emessa sotto forma di calore.
Per il principio di conservazione dell’energia alla diminuzione di energia potenziale che si verifica in una reazione esotermica corrisponde un aumento di energia cinetica e quindi le molecole si muovono con una velocità maggiore e, conseguentemente, la temperatura aumenta.
Esempi
Un esempio di reazione esotermica è costituito, ad esempio dalla reazione tra l’ossido di calcio e l’acqua:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + calore
Il calore sviluppato dalla reazione riscalda l’acqua prodotta nel corso della stessa.
Quando l’acido cloridrico diluito viene aggiunto allo zinco metallico con produzione di idrogeno si verifica una reazione esotermica:
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 + calore
Quando una mole di carbonio reagisce con una mole di ossigeno per dare una mole di biossido di carbonio si sviluppano, a pressione e temperatura costanti, 393.5 kJ. Questa reazione esotermica può essere espressa come:
C(s) + O2(g) → CO2(g) + 393.5 kJ
oppure come:
C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH = – 393.5 kJ
Esempi tipici di reazioni esotermiche, oltre alla combustione sono le reazioni di neutralizzazione, l’aggiunta di acido concentrato all’acqua, molte reazioni di ossidazione dei metalli, la maggior parte delle polimerizzazioni, la respirazione, la decomposizione di sostanze vegetali.
Le reazioni esotermiche spesso sono accoppiate a reazioni endotermiche: l’energia sviluppata dalla reazione esotermica costituisce il traino per la reazione endotermica.
L’esotermicità di alcune reazioni è sfruttata, ad esempio, nel lancio dei razzi nello spazio.
Un razzo a combustibile utilizza, quale propellente, una miscela di perclorato di ammonio solido NH4ClO4 e di alluminio per produrre un ossido di alluminio solido, acido cloridrico gassoso, azoto, vapore e calore.
La reazione chimica che avviene è:
6 NH4 ClO4 + 10 Al = 5 Al2O3 + 6 HCl + 3 N2 + 9 H2O + calore