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Reazioni esotermiche e endotermiche

 

Obbiettivo:

 

Verificare se si ha lo sviluppo o assorbimento di calore quando avviene la solubilizzazione di un composto o una reazione chimica.

 

 

Materiale occorrente.

 

§ 2 beker

§ 2 cilindri graduati (portata 25ml, sensibilità 1ml)

§ Una beuta

§ Termometro (portata 0°C – 30°C, sensibilità 0,1°C)

§ Acqua distillata

§ Bilancia (sensibilità 0,1g)

§ Idrossido di sodio               NaOH

§ Nitrato di ammonio             NH₄NO₃

§ Cloruro di sodio                  NaCl

§ Cloruro di calcio                 CaCl₂ 

§ Tiosolfato di sodio              Na₂S₂O₃

§ Acido cloridrico                  HCl

§ Acido Acetico                     CH₃COOH

§ Idrogenocarbonato di sodio           NaHCO₃    

           

Descrizione dell’ esperimento.

 

Questo esperimento è stato suddiviso in otto prove differenti: cinque solubilizzazioni e tre reazioni chimiche. Nelle solubilizzazioni sono stati utilizzati cinque composti diversi a cinque diverse concentrazioni.

 

Analisi delle otto prove singolarmente.

 

1) Solubilizzare 2g di idrossido di sodio in 50ml di acqua distillata.

Posizionare un beker vuoto sulla bilancia, azzerarne il peso e inserire nel beker 2g di idrossido di sodio. Nel secondo beker inserire 50ml di acqua distillata. Misurare la temperatura nel beker contenente l’acqua, annotarla e inserire sempre nello stesso beker il composto preparato precedentemente. Far sciogliere completamente l’idrossido di sodio nell’acqua tenendo inserito il termometro notando la variazione di temperatura della soluzione. Una volta che il composto si è completamente solubilizzato nell’acqua e che il termometro si è stabilizzato a una certa temperatura, togliere quest ultimo dalla soluzione acquosa è annotarne la temperatura. Ora fare la differenza tra temperatura finale e quella iniziale ed annotare anche questo dato. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Solubilizzare 4g di nitrato di ammonio in 50ml di acqua distillata.

Posizionare un beker vuoto sulla bilancia, azzerarne il peso e inserire nel beker 4g di nitrato di ammonio. Nel secondo beker inserire 50ml di acqua distillata. Misurare la temperatura nel beker contenente l’acqua, annotarla e inserire sempre nello stesso beker il composto preparato precedentemente. Far sciogliere completamente il nitrato di ammonio nell’acqua tenendo inserito il termometro notando la variazione di temperatura della soluzione. Una volta che il composto si è completamente solubilizzato nell’acqua e che il termometro si è stabilizzato a una certa temperatura, togliere quest ultimo dalla soluzione acquosa è annotarne la temperatura. Ora fare la differenza tra temperatura finale e quella iniziale ed annotare anche questo dato.

 

 

Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

 

3) Solubilizzare 3g di cloruro di sodio in 50ml di acqua distillata.

Posizionare un beker vuoto sulla bilancia, azzerarne il peso e inserire nel beker 3g di cloruro di sodio. Nel secondo beker inserire 50ml di acqua distillata. Misurare la temperatura nel beker contenente l’acqua, annotarla e inserire sempre nello stesso beker il composto preparato precedentemente. Far sciogliere completamente il cloruro di sodio nell’acqua tenendo inserito il termometro notando la variazione di temperatura della soluzione. Una volta che il composto si è completamente solubilizzato nell’acqua e che il termometro si è stabilizzato a una certa temperatura, togliere quest ultimo dalla soluzione acquosa è annotarne la temperatura. Ora fare la differenza tra temperatura finale e quella iniziale ed annotare anche questo dato. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

4) Solubilizzare 5,5g di cloruro di calcio in 50ml di acqua distillata.

Posizionare un beker vuoto sulla bilancia, azzerarne il peso e inserire nel beker 5,5g di cloruro di calcio. Nel secondo beker inserire 50ml di acqua distillata. Misurare la temperatura nel beker contenente l’acqua, annotarla e inserire sempre nello stesso beker il composto preparato precedentemente. Far sciogliere completamente il cloruro di calcio nell’acqua tenendo inserito il termometro notando la variazione di temperatura della soluzione. Una volta che il composto si è completamente solubilizzato nell’acqua e che il termometro si è stabilizzato a una certa temperatura, togliere quest ultimo dalla soluzione acquosa è annotarne la temperatura. Ora fare la differenza tra temperatura finale e quella iniziale ed annotare anche questo dato. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

5) Solubilizzare 12g di tiosolfato di sodio in 50ml di acqua distillata.

Posizionare un beker vuoto sulla bilancia, azzerarne il peso e inserire nel beker 12g di tiosolfato di sodio. Nel secondo beker inserire 50ml di acqua distillata. Misurare la temperatura nel beker contenente l’acqua, annotarla e inserire sempre nello stesso beker il composto preparato precedentemente. Far sciogliere completamente il tiosolfato di sodio nell’acqua tenendo inserito il termometro notando la variazione di temperatura della soluzione. Una volta che il composto si è completamente solubilizzato nell’acqua e che il termometro si è stabilizzato a una certa temperatura, togliere quest ultimo dalla soluzione acquosa è annotarne la temperatura. Ora fare la differenza tra temperatura finale e quella iniziale ed annotare anche questo dato. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

6) Reazione tra 25ml di acido cloridrico e 25ml di idrossido di sodio.

Inserire nel primo cilindro graduato 25ml di acido cloridrico diluito e nel secondo una soluzione acquosa di idrossido di sodio. Misurare la temperatura in uno dei due cilindri e annotarne il valore. Una volta misurata la temperatura iniziale inserire entrambe le soluzione in un beker in modo da far avvenire la reazione chimica.

 

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

 

Mentre avviene la reazione inserire il termometro nella soluzione e misurarne la temperatura. Quando la temperatura si stabilizza annotarne il valore e fare la differenza con quello iniziale. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

7) Reazione tra 25ml di acido acetico e 25ml di idrossido di sodio.

Inserire nel primo cilindro graduato 25ml di acido acetico diluito e nel secondo una soluzione acquosa di idrossido di sodio. Misurare la temperatura in uno dei due cilindri e annotarne il valore. Una volta misurata la temperatura iniziale inserire entrambe le soluzione in un beker in modo da far avvenire la reazione chimica.

 

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

 

Mentre avviene la reazione inserire il termometro nella soluzione e misurarne la temperatura. Quando la temperatura si stabilizza annotarne il valore e fare la differenza con quello iniziale. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

8) Reazione tra 25ml di acido cloridrico e 25ml di idrogenocarbonato di sodio.

Inserire nel primo cilindro graduato 25ml di acido cloridrico diluito. Nella beuta inserire 4g di idrogenocarbonato di sodio e solubilizzarli in 25ml di acqua distillata. La solubilizzazione potrebbe non essere facile, ma insistendo si riesce. Svuotare il contenuto della beuta nel secondo cilindro graduato. Misurare la temperatura in uno dei due cilindri e annotarne il valore. Una volta misurata la temperatura iniziale inserire entrambe le soluzione in un beker in modo da far avvenire la reazione chimica.

 

HCl + NaHCO₃ → NaCl + CO₂ + H₂O

 

Mentre avviene la reazione inserire il termometro nella soluzione e misurarne la temperatura. Quando la temperatura si stabilizza annotarne il valore e fare la differenza con quello iniziale. Ecco i risultati che abbiamo ottenuto:

 

 

 

 

 

Cenni teorici:

 

Legame tra reazioni chimiche ed energia.

 

Ma perché solubilizzando un sale o facendo reagire due o più composti in soluzione la temperatura dell’acqua aumenta o diminuisce? La risposta è semplice: questi due processi liberano o assorbono energia sotto forma di calore. Questa energia nei composti è presente sotto due forme principali: energia cinetica e energia potenziale. L’energia cinetica è legata al movimento degli atomi. L’energia potenziale è legata alla disposizione degli atomi e ai tipi di legami elettrici che esistono fra di essi.

Nelle reazioni chimiche quindi col cambiare la sostanza cambiano anche inevitabilmente anche i legami coesistenti tra gli atomi. Questo causa la liberazione o l’assorbimento di energia dalla soluzione acquosa variandone la temperatura.

Prendendo in considerazione questo fatto si possono suddividere le reazioni chimiche in due classi: reazioni endoenergetiche, che assorbono energia dalla soluzione abbassandone la temperatura, e reazioni esoenergetiche, che cedono energia alla soluzione innalzandone la temperatura.

 

 

Calore di solubilizzazione.

 

Sulle solubilizzazioni dei sali è possibile fornire anche un altro dato: il calore di solubilizzazione.

Grazie alla legge fondamentale della termologia (Q=cmΔT) è possibile calcolare la quantità di calore sviluppata durante la solubilizzazione. Divedendo questo valore per la massa del sale che è stato solubilizzato otteniamo il calore di solubilizzazione (q), che corrisponde alla quantità di calore che viene prodotta solubilizzando un grammo del sale preso in esame. Prendiamo per esempio la solubilizzazione dell’idrossido di sodio.

Q = cmΔT = 4186 J/(Kg °C) x 0.05 Kg x 8,7 °C = 1820,91 J

Q = Q/m = 1820,91 J / 2 g = 910,455 J/g

Con queste due semplici formule abbiamo potuto calcolare il calore di solubilizzazione dell’idrossido di sodio.

Ripetendo queste formule anche per le altre quattro solubilizzazioni abbiamo ottenuto i seguenti risultati:

 

 

 

Osservazioni finali:

 

Con questo esperimento abbiamo verificato che la solubilizzazione di una sostanza o una reazione chimica tra due composti sono processi che sviluppano o cedono calore.

L’esperienza nel complesso non ha presentato grosse difficoltà. Abbiamo, tuttavia, dovuto affrontare alcuni problemi come la solubilizzazione di alcuni sali, come il tiosolfato di sodio, che doveva essere velocizzata mescolando la soluzione con una bacchetta di vetro o come l’inspiegata e improvvisa liberazione di cloro durante la solubilizzazione del cloruro di calcio.

 

Grazie a Pasquale per questo documento.