Energia nelle reazioni chimiche

La combustione di una mole di metano, 16 g, libera 890.8 kJ di calore, sufficienti a scaldare circa 2.7 litri d'acqua da 20 °C a 100 °C.

Alcune reazioni scaldano, come una fiamma a gas. Altre assorbono calore dall'ambiente. La differenza dipende dai legami. Rompere un legame chimico richiede sempre energia; formarne uno libera sempre energia. La molecola di idrogeno, per esempio, richiede 436 kJ per mole per separarsi. Che una reazione nel suo insieme liberi o assorba calore dipende da quale quantità è maggiore: l'energia spesa per rompere i vecchi legami o quella liberata formando i nuovi.

Reazioni esotermiche ed endotermiche

I chimici misurano il calore di una reazione a pressione costante come variazione di entalpia, ΔH. Se i prodotti hanno entalpia minore dei reagenti, la differenza viene liberata come calore: ΔH è negativa e la reazione è esotermica. Se i prodotti ne hanno di più, occorre assorbire calore dall'ambiente: ΔH è positiva e la reazione è endotermica. Invertendo una reazione si inverte il segno di ΔH: formare acqua da idrogeno e ossigeno libera 571.6 kJ ogni due moli d'acqua, quindi scindere due moli d'acqua liquida nei suoi elementi richiede 571.6 kJ.

I combustibili sono sostanze con entalpie di combustione grandi e negative. Tra i valori misurati troviamo −890.8 kJ per mole per il metano, −285.8 kJ per l'idrogeno, −1366.8 kJ per l'etanolo e −726.1 kJ per il metanolo. Per grammo il quadro cambia. Il metano libera circa 55.5 kJ per grammo, l'etanolo circa 29.7 kJ per grammo e l'idrogeno, molto leggero, circa 141.8 kJ per grammo. OpenStax stima che bruciare un litro di isoottano, un comune componente della benzina, liberi 33 100 kJ. Non tutte le reazioni utili sono esotermiche. L'ozono si forma dall'ossigeno nell'alta atmosfera mediante un processo endotermico alimentato dalla luce ultravioletta; azoto e ossigeno assorbono 180.5 kJ per formare due moli di monossido di azoto, motivo per cui questa reazione avviene soprattutto nei cilindri molto caldi dei motori.

Perché ai combustibili serve una scintilla

Se bruciare metano libera tanta energia, perché il gas in un tubo della cucina non si incendia da solo? Perché la reazione deve prima rompere dei legami per poterne formare di nuovi. Le molecole devono urtarsi con almeno un'energia minima, l'energia di attivazione Eₐ, per raggiungere la configurazione instabile in cima al picco, detta stato di transizione. A temperatura ambiente pochissimi urti hanno tanta energia. Una scintilla o un fiammifero forniscono l'energia per le prime reazioni; il calore che queste liberano mantiene poi attive le successive.

Fai scorrere il punto lungo la curva nel laboratorio. Nella salita i legami si allungano e l'energia cresce. In cima i vecchi legami sono parzialmente rotti e quelli nuovi parzialmente formati. Nella discesa i nuovi legami si completano e si libera energia. L'altezza del picco determina la velocità della reazione, argomento della prossima unità; la differenza tra i due estremi determina quanto calore si libera. Un catalizzatore, attivabile con il pulsante, offre un percorso più facile con un picco più basso, ma i due estremi restano dove sono: ΔH non cambia.