Resolución de problemas de la Ley de Hess

La Ley de Hess establece que el cambio de entalpía de una reacción química (también vale el proceso físico) es independiente de las vías por las que se produce la reacción. Pero, ¿cómo funciona?

Origen de la Ley de Hess

Bueno, la ley es una expresión de la simple pero importante ley de conservación de la energía – que establece que la energía se conserva; la energía no puede crearse ni destruirse, sino sólo transferirse de una forma de energía a otra forma de energía. Por ejemplo, la combustión del metano implica la transferencia de energía química a calor.

Otra razón es que la propia «entalpía» es una función de estado. El cambio, llamado cambio de entalpía, depende sólo del estado inicial y del estado final. Cuando se va de Londres a Nueva York, se puede utilizar el vuelo directo o el vuelo indirecto. El coste y el tiempo del viaje dependen de las rutas que utilices. En una perspectiva más científica, el trabajo realizado contra la fricción depende de la(s) ruta(s) que tomes, cuanto más larga sea la ruta en la que participes, el valor es mayor.

En cambio, para el cambio de entalpía, no lo hace. Es independiente de la(s) ruta(s) por la que se produce la reacción. dadas las mismas condiciones. Puedes tratarlo como un vector si no quieres meterte en conceptos más complicados.

Uso de la Ley de Hess en principio

En química, a menudo nos encontramos con reacciones químicas que son reversibles, con formación de productos secundarios o la reacción no tiene lugar en condiciones estándar como se requiere. ¡Las limitaciones existen! La evaluación del cambio de entalpía de la reacción directamente por el experimento no es factible. En este caso, el cambio de entalpía puede deducirse indirectamente mediante la Ley de Hess utilizando un/otro conjunto de reacciones químicas que puedan alcanzar el mismo conjunto de reactivos y productos mediante la combinación de ecuaciones. El conjunto de reacciones elegidas suelen ser experimentos factibles con un montaje experimental sencillo o con datos disponibles en el libro de datos. El cambio de entalpía estándar de formación y el cambio de entalpía estándar de combustión de muchas sustancias químicas son dos conjuntos de datos que han sido bien estudiados por los científicos. Los datos están disponibles con alta precisión y son una buena fuente de datos para encontrar el cambio de entalpía de la reacción que queremos.

¿Condiciones estándar? Estados estándar?

Como las condiciones del entorno, como la temperatura, la presión y la concentración, afectan al valor de cambio de entalpía obtenido, tenemos que definir bien las condiciones y los estados que utilizamos. Por eso tenemos condiciones estándar, estados estándar y cambio de entalpía estándar.

Las condiciones estándar se refieren a 1 atm, 298K y el estado estándar se refiere a la forma termodinámicamente más estable del elemento.
Por ejemplo, el grafito y el diamante están hechos de carbono. Son elementos. Pero el grafito se utiliza como estado estándar del carbono porque el grafito es termodinámicamente más estable que el diamante. Tiene una entalpía menor. (En teoría no podemos medir directamente el valor de la entalpía pero podemos llegar a la conclusión considerando el cambio de entalpía estándar de la combustión del grafito y la del diamante)

Así, el cambio de entalpía estándar se refiere al cambio de entalpía estándar en condiciones estándar y los reactantes y productos están en estados estándar.

En la siguiente parte, discutiré las técnicas que utilizan la Ley de Hess para resolver problemas encontrados en la Química de la escuela secundaria.

Cambio de entalpía estándar de la combustión (ΔH°c)

El cambio de entalpía estándar de la combustión es el cambio de entalpía cuando 1 mol de sustancia se quema completamente en oxígeno bajo condiciones estándar y todos los reactantes y productos estarán en estados estándar si es necesario. Una notación simple del cambio de entalpía estándar de la combustión del carbono se escribe de esta manera: ΔH°c

De la definición, significa,

1. El reactante debe ser combustible. Si el reactante no es combustible, por ejemplo, el dióxido de carbono. Definir el cambio de entalpía estándar de la combustión del dióxido de carbono no tiene sentido. Limita su uso sólo a las sustancias combustibles, cuando se compara con la entalpía estándar de formación que es aplicable en la mayoría de los casos.
2. El coeficiente del reactivo en la ecuación química debe ser 1. Es importante porque cuando se utiliza la ecuación equivocada para representar el cambio de entalpía estándar de la combustión, el cálculo para el cambio de entalpía de la ecuación deseada será en vano. (ver el diagrama de abajo)
3. Si los reactantes y productos de la ecuación deseada son todos combustibles, podemos hacer uso de los valores de cambio de entalpía estándar de la combustión para encontrar los respectivos cambios de entalpía. (Por ejemplo, la hidrogenación del eteno a etano, donde el eteno, el hidrógeno y el etano son todos combustibles.)

Ejemplo: Hidrogenación del eten

Consideremos la hidrogenación del eten. Deseamos encontrar el cambio de entalpía de la hidrogenación del eteno. La ecuación es la siguiente:

(Observe que cuando mencionamos una sustancia particular en nuestro término de cambio de entalpía estándar, el coeficiente de esa sustancia particular será 1. Aquí el coeficiente del eteno es 1, está bien ahora.)

La hidrogenación no es factible en condiciones estándar. Como se ha dicho anteriormente, todos los reactivos y productos son combustibles. Haremos uso de los datos de cambio de entalpía de combustión estándar (que pueden encontrarse en el libro de datos o llevarse a cabo mediante un experimento utilizando un calorímetro de bomba) para averiguar la delta H desconocida de nuestra reacción objetivo.

Hay dos formas de resolver los problemas de la Ley de Hess:

A: Método algebraico

El método algebraico es en realidad un mejor método para resolver los problemas de la Ley de Hess. Sin embargo, en la mayoría de los libros de texto de química, se prefiere utilizar este último «ciclo de entalpía».

Es similar a la forma de resolver un problema de ecuaciones simultáneas. Parece complicado, pero en la mayoría de los problemas de examen, se puede resolver el problema con sólo mirar la dirección y el coeficiente de los reactantes y productos.

Nota que el eteno y el hidrógeno (ecuación 1 y ecuación 2) están en el lado izquierdo, que es la misma dirección que la ecuación deseada, y el etano está en dirección opuesta. También aparecen una sola vez, eso significa que ninguna otra ecuación afectará al coeficiente de las sustancias que hemos establecido.

Podemos convertirlo multiplicando -1 a delta H3 para voltear la ecuación 3 en dirección opuesta de modo que el etano esté en el lado derecho.Los resultados muestran la relación:

¡Mira! El problema está resuelto y la respuesta es:

Consideraremos un caso más difícil después de introducir el ciclo de entalpía.

B: Ciclo de entalpía.

También podemos construir un ciclo de entalpía paso a paso para resolver el problema de la Ley de Hess.

El rojo se refiere a la ecuación 1, el verde a la ecuación 2 y el morado a la ecuación 3. Cuidado con el número de oxígenos añadidos y la representación del cambio de entalpía. En los libros de texto, los pasos del lado del reactante suelen combinarse en un solo paso, pero quiero mostrarte el paso a paso para que te sirva de referencia. se añade el mismo número de oxígeno (3,5). Si no es el mismo, significa que algo malo sucedió.

Podemos tratar la flecha como un vector y utilizar el «método de cabeza a cola» para resolver el problema. La suma es igual a la cola sumada a la cabeza.

Así que las ecuaciones 1 y 2 están en la misma dirección que nuestra flecha y la ecuación 3 es opuesta a nuestra flecha. Por lo tanto la ecuación 3 se voltea para girar la dirección. Tenemos el mismo resultado.

Ejemplo: Hidrogenación del eteno

Esta vez, utilizamos la misma ecuación, pero usando datos de cambio de entalpía estándar de formación para resolver los problemas.

El cambio de entalpía estándar de formación es el cambio de entalpía cuando se forma 1 mol de sustancia a partir de sus elementos constitutivos en sus estados estándar en condiciones estándar. El actor principal es el producto y el coeficiente del producto que aparece en la ecuación debe ser de uno. Una notación simple del cambio de entalpía estándar de formación del dióxido de carbono se escribe de esta manera ΔH°f

Los diagramas muestran el método algebraico y el ciclo entálpico para resolver el problema.

Nota:

1. El cambio de entalpía estándar de formación del hidrógeno es cero. Se puede entender mirando la ecuación representada. No significa nada.
2. La aplicación que utiliza los datos del cambio de entalpía estándar de formación tiene una mayor flexibilidad que la del cambio de entalpía estándar de combustión (que se limita a la sustancia que es combustible.)

Táctica para resolver la Ley de Hess

Hasta ahora, parece que los problemas son fáciles de resolver tanto por la media algebraica como por el ciclo de entalpía. Veamos el siguiente ejemplo.

Dificultad:

1. El nitrógeno, el hidrógeno aparecen más de una vez en el conjunto de ecuaciones.
2. La construcción del ciclo de entalpía necesita pasos complicados.

Solución:

Método algebraico

Resolver primero las variables más fáciles, es decir, la sustancia que aparece una sola vez – cloro y cloruro de hidrógeno.

Trata de averiguar la operación en la ecuación 2 utilizando la ecuación 1 y la ecuación 3 conocidas.

El amoníaco aparece en el lado derecho. No aparece en nuestra ecuación objetivo. Debe ser anulado por la ecuación 2 restante. Para eliminar el amoníaco, el cambio de entalpía debe multiplicarse por -1. Los resultados son los siguientes.

Ciclo de entalpía

Tenemos que añadir ambos lados del mismo número de amoníaco para conectar nuestra ecuación objetivo con la ecuación 2. De lo contrario, ni siquiera podemos construir el ciclo debido a la ausencia de sustancias que se ajustan a cualquier conjunto de ecuaciones.

Entonces, como de costumbre, empezamos por cualquier lado y construimos el ciclo:

De la cola a la cabeza, obtenemos el mismo resultado:

El método algebraico es un método mejor y a veces en el examen abierto se requiere resolver el problema usando el ciclo de entalpía. Cuando la pregunta se vuelve difícil, puedes pensar en el ciclo de entalpía resolviéndolo en el método algebraico primero. Añade los elementos/compuestos necesarios al principio en ambos lados para «iniciar» tu ciclo de entalpía.

Espero que disfrutes y entiendas las habilidades para resolver los problemas de la Ley de Hess que se encuentran en la Química de la escuela secundaria.