miniatura|Flama produïda per la combustió del butà . Els reactius, butà i oxigen, tenen major entalpia que els productes, diòxid de carboni i aigua:, per la qual cosa la variació d'entalpia en la reacció és negativa, s'ha perdut entalpia en forma de calor que escalfa l'entorn. En termoquímica, la calor de reacció o entalpia de reacció és la quantitat d'energia en forma de calor absorbida o cedida per una reacció química. Normalment les reaccions químiques es realitzen a pressió constant, i s'acostuma a considerar que la temperatura es manté també constant. Per això, la calor de reacció és igual a la variació d'entalpia que es produeix durant la reacció i es representa per , que indica la diferència d'entalpia entre els productes de la reacció i els reactius:

on representa un coeficient estequiomètric per a un producte o un reactiu, i les entalpies molars (, on és el nombre de mols) de cada substància que intervé en la reacció. Així, la calor de reacció s'expressa en kJ·mol-1.

L'entalpia d'una substància, com funció termodinàmica no pot ser mesurada ni calculada de forma absoluta, perquè la termodinàmica només relaciona variacions d'entalpia entre dos estats d'equilibri. Si s'adopta un estat inicial per a cada element químic, al qual se li assigna arbitràriament el valor zero d'entalpia, es podrà obtenir fàcilment l'entalpia de qualsevol susbtància, en valor relatiu, així com la diferència d'entalpia entre els productes i els reactius de qualsevol reacció química, si els estats inicials elegits per a productes i reactius són experimentalment reproduibles.

Una reacció química consisteix en el trencament dels enllaços en les molècules dels reactius i la formació d'enllaços nous en les molècules dels productes. Les molècules dels reactius contenen energia en forma d'energia d'enllaç entre els seus àtoms o energia de vibració. Les molècules dels productes contenen també energia. En produir-se la reacció i convertir-se els reactius en productes, la diferència d'energia entre uns i altres s'intercanvia amb el medi. Aquest intercanvi es produeix habitualment en forma de calor, encara que pot fer-se també d'altres maneres (energia elèctrica o energia lluminosa, per exemple).

Reaccions exotèrmiques miniatura|Reacció exotèrmica, . Les reaccions exotèrmiques són aquelles que van acompanyades per un despreniment d'energia en forma de calor. Per exemple, l'equació termoquímica de combustió del metà és:

El signe negatiu de l'entalpia de reacció indica que per cada mol de metà que reacciona es desprenen 890,2 kJ d'energia en forma de calor que escalfa el medi (els productes estan a més temperatura que els reactius).

Reaccions endotèrmiques miniatura|Reacció endotèrmica, Les reaccions endotèrmiques són aquelles que van acompanyades per labsorció d'energia en forma de calor. Per exemple, l'equació termoquímica corresponent a la reacció entre el carboni roent i el vapor d'aigua és:

El signe positiu de la calor de reacció indica que per cada mol de carboni que reacciona s'absorbeixen 131,3 kJ d'energia en forma de calor (cal aportar aquesta energia, per exemple escalfant).

Entalpia estàndard de reacció Les variacions d'entalpia que es produeixen en una reacció química depenen de les condicions de pressió i de temperatura. Per tant, és convenient expressar les entalpies de reacció en unes condicions estàndard, establertes per acord internacional i que siguin fàcilment reproduïbles en qualsevol laboratori. Lestat estàndard d'una substància és la seva forma pura a la pressió d'1 bar ( Pa). Així, per exemple, l'estat estàndard de l'aigua líquida a una determinada temperatura és aigua pura a aquesta temperatura i a 1 bar de pressió.

Una entalpia de reacció basada en estats estàndard s'anomena entalpia estàndard de reacció i es representa com o . L'entalpia estàndard de reacció és l'entalpia de reacció mesurada quan els reactius en els seus estats estàndard es transformen en els productes en els seus estats estàndard. Les entalpies estàndard de reacció poden referir-se a qualsevol temperatura, però normalment els valors es donen a 25 °C (298,15 K) com a temperatura de referència. Així, per exemple, l'entalpia estàndard de reacció per a la combustió del metà és el canvi d'entalpia que té lloc quan el gas metà pur i el gas oxigen pur, tots dos a la pressió d'1 bar, reaccionen per formar diòxid de carboni pur i aigua pura, també a la pressió d'1 bar.

Càlcul a partir d'entalpies de formació miniatura|350x350px|Diagrama d'entalpia per a la combustió d'1 mol de propà gasós, . La reacció global és:. Hom pot suposar que aquesta reacció ocorre en tres passos. Primer, el es descompon en els seus elements, de manera que . Segon, es formen 3 mols de , així que . Finalment, es formen 4 mols de ; per tant, . La llei de Hess ens diu que . Les entalpies de formació estàndard s'utilitzen en termoquímica per trobar l'entalpia estàndard de reacció . Això es fa restant la suma de les entalpies de formació estàndards dels reactius de la suma de les entalpies de formació estàndards dels productes. La resta és deguda al fet que es pot suposar un camí que consisteix el descompondre els reactius en els seus elements en l'estat més estable i, després, obtenir els productes combinant aquests elements. Aquesta darrera passa té un canvi d'entalpia igual a la suma de les entalpies de formació dels productes . El primer pas, en canvi, és el procés invers, per tant l'entalpia és menys la suma d'entalpies dels reactius . El resultat s'obté aplicant la llei de Hess tal com es mostra en l'equació de sota, on representen els coeficients estequiomètrics de cada subtància que intervé en la reacció, ja que les entalpies de formació venen expressades en kJ/mol i cal multiplicar pel nombre de mols de cada substància en la reacció:

Així, per a la reacció general:

la seva entalpia es podria calcular amb les corresponents entalpies de formació aplicant la fórmula:

Això és especialment útil per a reaccions molt llargues amb molts passos intermedis i composts. Els químics poden utilitzar entalpies estàndards de formació per a una reacció que és hipotètica o molt difícil de poder mesurar experimentalment de manera directa. Per exemple el carboni i hidrogen no reaccionen directament per formar metà , tot i així s'ha determinat que l'entalpia estàndard de formació per al metà és de –74,8 kJ mol-1 utilitzant unes altres entalpies estàndards de reacció conegudes amb la llei d'Hess. Que sigui negativa implica que la reacció, si es produís, seria exotèrmica; és a dir, és entalpicament més estable que el gas d'hidrogen i el carboni.

Variació de l'entalpia de reacció amb la temperatura Segons la termodinàmica la variació de l'entalpia amb la temperatura a pressió constant és la capacitat calorífica a pressió constant :

A pressió constant hom pot escriure l'expressió:

miniatura|Variació de l'entalpia de reacció amb la temperatura. Variació de l'entalpia dels reactius en blau i dels productes en vermell.

i per un canvi finit de temperatura entre i es pot integrar:

miniatura|Capacitat calorífica a pressió constant del butan-1-ol en funció de la temperatura.Si s'aplica a cada substància d'una reacció química s'obté l'equació de Kirchhoff, deduïda el 1858 pel físic alemany Gustav Kirchhoff (1824-1887), malgrat C.C. Person el 1851 havia arribat a un resultat semblant:

on és la diferència de les capacitats calorífiques molars a pressió constant dels productes i reactius en condicions estàndard ponderades pels coeficients estequiomètrics que apareixen a l'equació química:

Normalment és una bona aproximació suposar que , és independent de la temperatura, almenys en rangs raonablement limitats: tot i que les capacitats calorífiques individuals poden variar, la seva diferència varia menys significativament. Quan és independent de la temperatura en el rang de a , la integral queda com:

amb la qual es poden calcular entalpies estàndard de reacció a temperatures diferents de les tabulades (usualment 298,15 K).

Si la capacitat calorífica no és constant, sovint s'ajusta a una depèndència amb la temperatura del següent tipus: , on són coeficients característics de cada substància.

Referències

Enllaços externs IUPAC Compendium of Chemical Terminology. Servei de la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) amb les definicions dels termes emprats en les diferents branques de la química. Reaccions químiques. Descripció de diferents reaccions químiques, la majoria exotèrmiques. Conté vídeos i gifs animats.

Categoria:Química física Categoria:Termodinàmica