L’entalpia standard di formazione, indicata spesso con \Delta_f H^\circ, è la variazione di entalpia associata alla formazione di una mole di composto a partire dagli elementi nei loro stati standard. È una grandezza tabulata fondamentale in termochimica perché permette di calcolare entalpie di reazione tramite la legge di Hess.
Per esempio, la reazione:
definisce \Delta_f H^\circ della \mathrm{CO_2(g)}, perché forma una mole di anidride carbonica dagli elementi carbonio e ossigeno nei loro stati standard.
Che cosa significa stato standard
Lo stato standard è lo stato di riferimento della specie chimica, di norma alla pressione standard e a una temperatura specificata. Nelle tabelle didattiche la temperatura più comune è 25^\circ\mathrm{C}, cioè 298{,}15\ \mathrm{K}, ma la temperatura va sempre controllata.
Per gli elementi nel proprio stato standard vale per definizione:
Esempi tipici sono:
| Elemento nello stato standard | Valore |
|---|---|
| \mathrm{O_2(g)} | \Delta_f H^\circ=0 |
| \mathrm{N_2(g)} | \Delta_f H^\circ=0 |
| \mathrm{H_2(g)} | \Delta_f H^\circ=0 |
| \mathrm{C(s,\ grafite)} | \Delta_f H^\circ=0 |
La precisazione sulla forma fisica è essenziale. Il carbonio grafite ha entalpia standard di formazione nulla; il diamante no, perché non è la forma standard più stabile del carbonio a condizioni ordinarie.
Reazione di formazione
Una reazione di formazione deve produrre una sola mole del composto considerato. Per l’acqua liquida:
Il coefficiente \dfrac{1}{2} non è un problema: nelle reazioni di formazione si accettano coefficienti frazionari proprio per ottenere una mole di prodotto. Se invece si scrivesse:
la variazione di entalpia sarebbe il doppio dell’entalpia standard di formazione dell’acqua liquida.
Uso nella legge di Hess
Per una reazione chimica qualunque, l’entalpia standard di reazione si calcola come:
I coefficienti stechiometrici \nu_i e \nu_j devono moltiplicare i valori tabulati. Gli stati fisici fanno parte della specie: \mathrm{H_2O(l)} e \mathrm{H_2O(g)} hanno entalpie standard di formazione diverse.
Questa formula è una conseguenza diretta del fatto che l’entalpia è una funzione di stato: il percorso reale della reazione non deve essere noto, purché gli stati iniziali e finali siano gli stessi.
Esempio: combustione del metano
Per la combustione standard:
si usa:
Poiché \mathrm{O_2(g)} è un elemento nello stato standard, il suo contributo è nullo. Usando valori tabulati tipici a 298{,}15\ \mathrm{K}:
si ottiene:
Il segno negativo indica che la combustione è esotermica nelle condizioni standard considerate.
Interpretazione del segno
| Valore | Interpretazione |
|---|---|
| \Delta_f H^\circ<0 | formazione esotermica rispetto agli elementi standard |
| \Delta_f H^\circ>0 | formazione endotermica rispetto agli elementi standard |
| \Delta_f H^\circ=0 | elemento nel proprio stato standard |
Un valore negativo non significa automaticamente che il composto si formi spontaneamente in ogni condizione. La spontaneità termodinamica dipende dall’energia libera di Gibbs, che combina entalpia, entropia e temperatura:
L’entalpia standard di formazione dice quanto calore è scambiato a pressione costante nella reazione di formazione standard, non se la reazione avverrà rapidamente o spontaneamente in qualunque ambiente.
Errori comuni
Un primo errore è assegnare \Delta_f H^\circ=0 a qualunque forma di un elemento. Il valore nullo vale solo per l’elemento nel suo stato standard, non per ogni allotropo o stato fisico.
Un secondo errore è dimenticare gli stati fisici. Acqua liquida e vapore acqueo, carbonio grafite e carbonio diamante, ossigeno molecolare e ozono non sono intercambiabili nelle tabelle.
Un terzo errore è confondere entalpia standard di formazione ed entalpia di combustione. La formazione costruisce una mole di composto dagli elementi; la combustione ossida una sostanza, spesso producendo \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O}.
Un quarto errore è non moltiplicare i valori tabulati per i coefficienti stechiometrici nella formula di Hess.
Vedi anche: entalpia, legge di Hess, termochimica, energia libera di Gibbs, entropia, formulario di chimica generale ed esercizi di termochimica.