Résoudre les problèmes de la loi de Hess

La loi de Hess stipule que le changement d’enthalpie d’une réaction chimique (le processus physique est aussi ok) est indépendant des voies par lesquelles la réaction a lieu. Mais comment cela fonctionne-t-il ?

Origin of Hess’ Law

Bien, la loi est une expression de la simple mais importante loi de conservation de l’énergie – affirmant que l’énergie est conservée ; l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transférée d’une forme d’énergie à une autre forme d’énergie. Par exemple, la combustion du méthane implique un transfert d’énergie de l’énergie chimique vers la chaleur.

Une autre raison est que l' »enthalpie » elle-même est une fonction d’état. Le changement, appelé changement d’enthalpie, ne dépend que de l’état initial et de l’état final. Lorsque vous allez de Londres à New York, vous pouvez utiliser le vol direct ou le vol indirect. Le coût et la durée du voyage dépendent des routes que vous utilisez. Dans une perspective plus scientifique, le travail effectué contre la friction dépend de la ou des routes que vous prenez, plus la route que vous avez impliquée est longue, la valeur est plus grande.

En revanche, pour le changement d’enthalpie, ce n’est pas le cas. Elle est indépendante de la ou des voies par lesquelles la réaction a lieu. étant donné les mêmes conditions. Vous pouvez la traiter comme un vecteur si vous ne voulez pas vous impliquer dans un concept plus compliqué.

Utilisation de la loi de Hess en principe

En chimie, nous rencontrons souvent des réactions chimiques réversibles, avec formation de produits secondaires ou la réaction ne se déroule pas dans des conditions standard comme requis. Des contraintes existent ! L’évaluation du changement d’enthalpie de la réaction directement par l’expérience n’est pas réalisable. Dans ce cas, le changement d’enthalpie peut être déduit indirectement par la loi de Hess en utilisant une/autre série de réactions chimiques qui peuvent obtenir le même ensemble de réactifs et de produits par une combinaison d’équations. Les réactions choisies sont généralement des expériences réalisables avec un dispositif expérimental simple ou avec des données disponibles dans un livre de données. L’enthalpie standard de formation et l’enthalpie standard de combustion de nombreux produits chimiques sont deux ensembles de données qui ont été bien étudiés par les scientifiques. Les données sont disponibles avec une grande précision et ils sont une bonne source de données pour trouver le changement d’enthalpie de la réaction que nous voulons.

Conditions standard ? États standards?

Comme les conditions d’environnement telles que la température, la pression et la concentration affectent la valeur de changement d’enthalpie obtenue, nous devons bien définir les conditions et les états que nous avons utilisés. C’est pourquoi nous avons les conditions standard, les états standard et le changement d’enthalpie standard.

Les conditions standard font référence à 1 atm, 298K et l’état standard fait référence à la forme thermodynamiquement la plus stable de l’élément.
Par exemple, le graphite et le diamant sont faits de carbone. Ce sont des éléments. Mais le graphite est utilisé comme l’état standard du carbone parce que le graphite est thermodynamiquement plus stable que le diamant. Il a une enthalpie plus faible. (En théorie, nous ne pouvons pas mesurer directement la valeur de l’enthalpie mais nous pouvons arriver à la conclusion en considérant le changement d’enthalpie standard de la combustion du graphite et celle du diamant)

Donc, le changement d’enthalpie standard se réfère au changement d’enthalpie standard dans des conditions standard et les réactifs et les produits sont dans des états standard.

Dans la partie suivante, j’aborderai les techniques utilisant la loi de Hess pour résoudre les problèmes rencontrés en chimie au lycée.

Changement d’enthalpie standard de la combustion (ΔH°c)

Le changement d’enthalpie standard de la combustion est le changement d’enthalpie lorsque 1 mole de substance est brûlée complètement dans l’oxygène dans des conditions standard et tous les réactifs et produits doivent être dans des états standard si nécessaire. Une notation simple du changement d’enthalpie standard de combustion du carbone s’écrit de cette façon : ΔH°c

D’après la définition, cela signifie,

1. Le réactif doit être combustible. Si le réactif n’est pas combustible, par exemple, le dioxyde de carbone. Définir le changement d’enthalpie standard de combustion du dioxyde de carbone n’a pas de sens. Elle limite son utilisation aux seules substances combustibles, en comparaison avec l’enthalpie standard de formation qui est applicable dans la plupart des cas.
2. Le coefficient du réactif dans l’équation chimique doit être de 1. C’est important car lorsque vous utilisez la mauvaise équation pour représenter le changement d’enthalpie standard de la combustion, le calcul pour le changement d’enthalpie de l’équation souhaitée sera vain. (voir le schéma ci-dessous)
3. Si les réactifs et les produits de l’équation visée sont tous combustibles, on peut faire appel aux valeurs de changement d’enthalpie standard de combustion pour trouver les changements d’enthalpie respectifs. (Par exemple, hydrogénation de l’éthène en éthane, où l’éthène, l’hydrogène et l’éthane sont tous combustibles.)

Exemple : Hydrogénation de l’éthène

Considérons l’hydrogénation de l’éthène. On souhaite trouver la variation d’enthalpie de l’hydrogénation de l’éthène. L’équation est la suivante :

(Remarquez que lorsque nous mentionnons une substance particulière dans notre terme standard de changement d’enthalpie, le coefficient de cette substance particulière sera de 1. Ici, le coefficient de l’éthène est de 1, c’est bon maintenant.)

L’hydrogénation n’est pas réalisable dans des conditions standard. Comme indiqué précédemment, tous les réactifs et produits sont combustibles. Nous allons utiliser les données standard de changement d’enthalpie de combustion (qui peuvent être trouvées dans le databook ou réalisées par expérience en utilisant un calorimètre à bombe) pour trouver le delta H inconnu de notre réaction ciblée.

Il existe deux façons de résoudre les problèmes de la loi de Hess :

A : Méthode algébrique

La méthode algébrique est en fait une meilleure méthode pour résoudre les problèmes de la loi de Hess. Cependant, dans la plupart des manuels de chimie, on préfère utiliser ce dernier « cycle enthalpique ».

C’est similaire à la façon dont vous résolvez un problème d’équations simultanées. Cela semble délicat mais dans la plupart des problèmes d’examen, vous pouvez résoudre le problème en regardant simplement la direction et le coefficient des réactifs et des produits.

Notez que l’éthène et l’hydrogène (équation 1 et équation 2) sont du côté gauche, ce qui est la même direction que l’équation souhaitée, et l’éthane est dans la direction opposée. Ils apparaissent également une seule fois, ce qui signifie qu’aucune autre équation n’affectera le coefficient des substances que nous avons défini.

Nous pouvons le convertir en multipliant -1 à delta H3 pour retourner l’équation 3 dans la direction opposée afin que l’éthane soit dans la partie droite.Les résultats montrent la relation:

Regardez ! Le problème est résolu et la réponse est :

Nous allons considérer un cas plus difficile après avoir introduit le cycle enthalpique.

B : Cycle enthalpique.

Nous pouvons également construire un cycle enthalpique étape par étape pour résoudre le problème de la loi de Hess.

La rouge fait référence à l’équation 1, la verte à l’équation 2 et la violette à l’équation 3. Faites attention au nombre d’oxygène ajouté et à la représentation du changement d’enthalpie. Les étapes relatives aux réactifs sont généralement combinées en une seule étape dans les manuels, mais je veux vous montrer étape par étape pour référence. Le même nombre d’oxygène est ajouté (3,5). Si ce n’est pas le même, cela signifie que quelque chose de mal s’est produit.

Nous pouvons traiter la flèche comme un vecteur et utiliser la « méthode tête-bêche » pour résoudre le problème. La somme est égale à la queue ajoutée à la tête.

Donc les équations 1 et 2 sont dans la même direction que notre flèche et l’équation 3 est opposée à notre flèche. D’où l’équation 3 est retournée pour inverser la direction. Nous avons le même résultat.

Exemple : Hydrogénation de l’éthène

Cette fois, nous utilisons la même équation, mais en utilisant les données de la variation d’enthalpie standard de formation pour résoudre les problèmes.

La variation d’enthalpie standard de formation est la variation d’enthalpie lorsque 1 mole de substance est formée à partir de ses éléments constitutifs dans leurs états standard et dans des conditions standard. L’acteur principal est le produit et le coefficient du produit indiqué dans l’équation doit être de un. Une notation simple du changement d’enthalpie standard de formation du dioxyde de carbone s’écrit de cette façon : ΔH°f

Les diagrammes montrent la méthode algébrique et le cycle enthalpique pour résoudre le problème.

Note:

1. La variation standard d’enthalpie de formation de l’hydrogène est nulle. Vous pouvez comprendre en regardant l’équation représentée. Cela ne signifie rien.
2. L’application utilisant les données de changement d’enthalpie standard de formation a une plus grande flexibilité que celle du changement d’enthalpie standard de combustion (qui se limite à la substance qui est combustible.)

Tactique pour résoudre la loi de Hess

Jusqu’ici, il semble que les problèmes sont faciles à résoudre à la fois par la moyenne algébrique et le cycle enthalpique. Voyons l’exemple suivant.

Difficulté:

1. L’azote, l’hydrogène apparaissent plus d’une fois dans l’ensemble des équations.
2. La construction du cycle enthalpique nécessite des étapes délicates.

Solution:

Méthode algébrique

Solvez d’abord les variables les plus faciles, c’est-à-dire la substance qui apparaît une seule fois – le chlore et le chlorure d’hydrogène.

Essayer de trouver l’opération sur l’équation 2 en utilisant l’équation 1 et l’équation 3 connues.

L’ammoniac apparaît à droite. Il n’apparaît pas dans notre équation cible. Il doit être annulé par l’équation restante 2. Pour éliminer l’ammoniac, la variation d’enthalpie doit être multipliée par -1. Les résultats suivent.

Cycle enthalpique

Nous devons ajouter les deux côtés du même nombre d’ammoniac pour connecter notre équation ciblée à l’équation 2. Sinon, nous ne pouvons même pas construire le cycle en raison de l’absence de substances qui correspondent à tout ensemble d’équations.

Alors, comme d’habitude, nous commençons de chaque côté et construisons le cycle :

De la queue à la tête, on obtient le même résultat :

La méthode algébrique est une meilleure méthode et parfois dans les examens ouverts, on vous demande de résoudre le problème en utilisant le cycle enthalpique. Lorsque la question devient difficile, vous pouvez penser au cycle enthalpique en le résolvant d’abord par la méthode algébrique. Ajoutez les éléments/composés nécessaires au début des deux côtés pour « initier » votre cycle enthalpique.

J’espère que vous appréciez et comprenez les compétences de résolution des problèmes de la loi de Hess rencontrés au lycée en chimie.