Entalpia di idrogenazione di idrocarburi insaturi: teoria, applicazioni e esercizi
L’entalpia di idrogenazione, o calore di idrogenazione, è un parametro fondamentale per misurare la variazione di entalpia durante il processo di idrogenazione dei composti insaturi, come gli alcheni e gli alchini. Questi idrocarburi presentano almeno un doppio o triplo legame carbonio-carbonio, a differenza degli idrocarburi saturi che presentano solo legami semplici carbonio-carbonio.
Gli idrocarburi insaturi possono essere sottoposti a idrogenazione in presenza di catalizzatori come nichel, palladio o platino. Questa reazione è esotermica, il che implica che la variazione di entalpia è minore di zero.
Ad esempio, consideriamo la reazione di idrogenazione dell’etene: CH2=CH2 + H2 → CH3CH3, con ΔH di – 157 kJ/mol. Questo significa che, a 298 K e alla pressione di 1 atm, idrogenando 1 mole di etene si ottengono 157 kJ.
Le entalpie di idrogenazione di alcuni idrocarburi, che presentano un solo sito di insaturazione, sono le seguenti:
1) propene: CH3CH=CH2 + H2 → CH3CH2CH3 ΔH = – 126 kJ/mol.
2) 1-butene: CH3CH2CH=CH2 + H2 → CH3CH2CH2CH3 ΔH = – 127 kJ/mol
3) 2-butene: CH3CH=CHCH3 + H2 → CH3CH2CH2CH3 ΔH (cis-2-butene) = – 120 kJ/mol; ΔH (trans-2-butene) = – 116 kJ/mol
Le entalpie di idrogenazione di alcuni idrocarburi che presentano più di un sito di insaturazione sono:
– CH2=CHCH=CH2 + 2 H2 → CH3CH2CH2CH3 ΔH = – 239 kJ/mol
– Cicloesene + H2 → cicloesano ΔH = – 120 kJ/mol
– Cicloesadiene + 2 H2 → cicloesano ΔH = – 232 kJ/mol
– Benzene + 3 H2 → cicloesano ΔH = – 208 kJ/mol
– Toluene + 3 H2 → metilcicloesano ΔH = – 205 kJ/mol
Applicazioni e considerazioni
Escludendo l’etene, la maggior parte delle entalpie di idrogenazione oscillano tra -120 ± 6 kJ/mol, quando 1 mole di H2 si addiziona a 1 mole di alchene. Nella situazione dei dieni, in cui si addizionano 2 moli di H2 per ogni mole di alchene, tale valore raddoppia.
La differenza tra l’entalpia di idrogenazione attesa del benzene e quella risultante dai dati termodinamici è significativa. Il benzene mostra una maggiore stabilità rispetto a quella prevista, confermando la presenza di qualcosa che lo rende diverso dagli altri idrocarburi insaturi.
Il benzene, con sei elettroni π delocalizzati, ha una stabilità maggiore dell’ipotetico cicloesatriene con sei elettroni π localizzati. Tale differenza di energia tra la molecola coniugata reale e il suo ipotetico analogo non coniugato è detta energia di delocalizzazione o energia di risonanza.
Il benzene presenta una lunghezza di legame minore della lunghezza di un legame semplice carbonio-carbonio, e leggermente più alta della lunghezza di un doppio legame carbonio-carbonio, implicando legami equivalenti. I sei elettroni π devono essere distribuiti simmetricamente sui sei atomi di carbonio, contribuendo a una maggiore stabilità della molecola.
In conclusione, l’entalpia di idrogenazione fornisce informazioni cruciali sulla stabilità e le proprietà dei composti insaturi, permettendo di comprendere le differenze di comportamento del benzene rispetto ad altre molecole insature.
