La llei de Hess, també coneguda com la llei de suma de calor, és un principi fonamental en la química i la termodinàmica que permet predir canvis a l'entalpia d'una reacció química a partir de la informació d'entalpia de reaccions químiques prèvies.
Aquesta llei, nomenada en honor al químic rus-alemany Germain Henri Hess, ha estat un pilar en la comprensió de l'energia involucrada en les reaccions químiques i ha tingut un paper crucial en la formulació de teories i en la predicció de reaccions químiques.
Definició: Què diu la llei de Hess?
La llei de Hess es basa en el principi fonamental que el canvi en l'entalpia d'una reacció química és una magnitud extensiva, cosa que significa que el seu valor no depèn de la manera com s'arribi a la reacció final, sinó només dels estats inicials i finals.
En altres paraules, si una reacció química es pot dividir en diverses etapes intermèdies, el canvi a l'entalpia total serà igual a la suma dels canvis en entalpia d'aquestes etapes intermèdies.
Exemple explicatiu
Per comprendre millor aquest concepte, considerem el següent exemple.
Suposem que volem determinar el canvi a l'entalpia de la reacció A → C, però no tenim la informació directa per a aquesta reacció. No obstant això, tenim informació sobre les reaccions A → B i B → C, i podem fer servir la llei de Hess per calcular el canvi a l'entalpia d'A → C.
La llei de Hess estableix que:
ΔH(A → C) = ΔH(A → B) + ΔH(B → C)
En altres paraules, el canvi en l'entalpia de la reacció A → C és igual a la suma dels canvis en entalpia de les reaccions A → B i B → C. Aquest principi és vàlid fins i tot si les reaccions intermèdies no són reals i només sutilitzen com una forma de descompondre la reacció desitjada en passos més petits.
Fórmula de la llei de Hess
La llei de Hess s'expressa mitjançant la fórmula següent:
ΔH_total = ΣΔH_productes - ΣΔH_reactius
On:
-
ΔH_total és el canvi a l'entalpia de la reacció química en qüestió.
-
Σ (sigma) indica la suma dels termes.
-
ΔH_productes és la suma de les entalpies dels productes de la reacció.
-
ΔH_reactius és la suma de les entalpies dels reactius de la reacció.
Exemples d'aplicacions de la llei de Hess
- Càlcul de canvis a l'entalpia estàndard de formació L'entalpia estàndard de formació és l'entalpia d'una reacció que forma un mol d'una substància a partir dels seus elements en el seu estat més estable a 25°C i 1 atmosfera de pressió. La llei de Hess s'utilitza per calcular aquestes entalpies estàndard de formació, cosa que proporciona informació crucial sobre l'estabilitat de compostos químics.
- Predicció de la viabilitat de reaccions químiques : En conèixer els canvis en l'entalpia de les reaccions químiques involucrades, és possible determinar si una reacció serà exotèrmica (llibera calor) o endotèrmica (absorbeix calor). Això és essencial per preveure si una reacció és termodinàmicament favorable o desfavorable.
- Optimització de processos industrials A la indústria química, la llei de Hess s'utilitza per optimitzar processos de producció, assegurant que les reaccions químiques involucrades siguin el més eficients possible en termes de consum d'energia i recursos.
- Càlcul de l'entalpia de reaccions no experimentals : En molts casos, no és possible mesurar directament el canvi a l'entalpia d'una reacció. La llei de Hess permet estimar aquests valors a partir de reaccions experimentalment relacionades.
Exercicis de la llei de Hess
A continuació mostrem dos exercicis que demostren com s'utilitza la llei de Hess per calcular canvis a l'entalpia de reaccions químiques a partir d'informació de reaccions relacionades.
Exercici 1: Calcula el canvi a l'entalpia per a la reacció següent
2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)
A partir de la informació següent:
ΔH1: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) té un valor de -286 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O₂(g) té un valor de -196 kJ/mol.
Solució
Per calcular el canvi a l'entalpia de la reacció donada, pots aplicar la llei de Hess. La reacció donada es pot descompondre en dues etapes:
Etapa 1: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O₂(g) (multiplicant ΔH₂ per 2)
Etapa 2: 2H₂O₂(g) → 2H₂O(g) (multiplicant ΔH₁ per 2)
Aleshores, el canvi en l'entalpia total és la suma de ΔH1 i ΔH₂:
ΔH_total = (2 * ΔH₂) + (2 * ΔH₁) = (2 * -196 kJ/mol) + (2 * -286 kJ/mol) = -392 kJ/mol - 572 kJ/mol = -964 kJ/mol
Per tant, el canvi a l'entalpia de la reacció donada és -964 kJ.
Exercici 2: Calcula el canvi a l'entalpia per a la reacció següent
C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
Utilitza la següent informació:
ΔH₁: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) té un valor de -393.5 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) té un valor de -285.8 kJ/mol. ΔH₃: C₃H₈(g) + 5/2O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) té un valor de -2045 kJ/mol.
Solució
Per calcular el canvi a l'entalpia de la reacció donada, descomposarem la reacció en els seus passos intermedis utilitzant la llei de Hess:
-
C₃H₈(g) → 3C(s) + 4H₂(g)
-
3C(s) + 4H₂(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃
ΔH_total = (-393.5 kJ/mol) + [4 * (-285.8 kJ/mol)] + (-2045 kJ/mol)
ΔH_total = -393.5 kJ/mol - 1143.2 kJ/mol - 2045 kJ/mol
ΔH_total = -3581.7 kJ/mol
Per tant, el canvi a l'entalpia de la reacció donada és -3581.7 kJ.
Limitacions de la llei
Tot i que la llei de Hess és una eina poderosa en química i termodinàmica, té algunes limitacions importants.
Una de les limitacions clau és que aquesta llei només s'aplica a canvis a l'entalpia i no proporciona informació sobre altres paràmetres termodinàmics com l'entropia o l'energia lliure de Gibbs.
A més, la llei de Hess suposa que els canvis a l'entalpia són additius i no depenen de les condicions específiques de la reacció, la qual cosa pot no ser completament precís en certes situacions, especialment a altes pressions o temperatures extremadament baixes.
Conclusió
La llei de Hess és un principi fonamental en la química i la termodinàmica que permet predir canvis a l'entalpia de reaccions químiques utilitzant informació sobre reaccions relacionades.
Aquesta llei ha estat crucial en la formulació de teories i en la predicció de reaccions químiques en una àmplia varietat d'aplicacions, des de la determinació de l'entalpia de formació fins a l'optimització de processos industrials.
Tot i algunes limitacions, la llei de Hess segueix sent una eina essencial en el camp de la química i la termodinàmica.