Risolvere i problemi della legge di Hess

La legge di Hess afferma che il cambiamento di entalpia di una reazione chimica (va bene anche il processo fisico) è indipendente dalle vie attraverso le quali la reazione avviene. Ma come funziona?

Origine della legge di Hess

Bene, la legge è un’espressione della semplice ma importante legge di conservazione dell’energia – affermando che l’energia si conserva; l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasferita da una forma di energia a un’altra forma di energia. Per esempio, la combustione del metano comporta il trasferimento di energia dall’energia chimica al calore.

Un’altra ragione è che l'”entalpia” stessa è una funzione di stato. Il cambiamento, chiamato cambiamento di entalpia, dipende solo dallo stato iniziale e dallo stato finale. Quando si va da Londra a New York, si può usare il volo diretto o il volo indiretto. Il costo e il tempo del viaggio dipendono dalle rotte che usi. In una prospettiva più scientifica, il lavoro fatto contro l’attrito dipende dal percorso(i) che si fa, più lungo è il percorso che si fa, il valore è maggiore.

D’altra parte, per il cambiamento di entalpia, non è così. È indipendente dal percorso (o dai percorsi) con cui avviene la reazione. date le stesse condizioni. Si può trattare come un vettore se non si vuole entrare in concetti più complicati.

Uso della legge di Hess in linea di principio

In chimica, incontriamo spesso reazioni chimiche che sono reversibili, con formazione di prodotti collaterali o la reazione non avviene in condizioni standard come richiesto. I vincoli esistono! La valutazione della variazione entalpica della reazione direttamente tramite esperimento non è fattibile. In questo caso, la variazione entalpica può essere dedotta indirettamente dalla legge di Hess usando una/un’altra serie di reazioni chimiche che possono ottenere lo stesso set di reagenti e prodotti attraverso la combinazione di equazioni. L’insieme delle reazioni scelte sono di solito esperimenti fattibili con un setup sperimentale semplice o con dati disponibili nel databook. La variazione dell’entalpia standard di formazione e la variazione dell’entalpia standard di combustione di molti prodotti chimici sono due set di dati che sono stati studiati bene dagli scienziati. I dati sono disponibili con alta precisione e sono una buona fonte di dati per trovare la variazione entalpica della reazione che vogliamo.

Condizioni standard? Stati standard?

Poiché le condizioni ambientali come la temperatura, la pressione e la concentrazione influenzano il valore di variazione entalpica ottenuto, dobbiamo definire bene le condizioni e gli stati che abbiamo usato. Ecco perché abbiamo condizioni standard, stati standard e variazione entalpica standard.

Le condizioni standard si riferiscono a 1 atm, 298K e lo stato standard si riferisce alla forma termodinamicamente più stabile dell’elemento.
Per esempio, la grafite e il diamante sono fatti di carbonio. Sono elementi. Ma la grafite è usata come stato standard del carbonio perché la grafite è termodinamicamente più stabile del diamante. Ha un’entalpia più bassa. (In teoria non possiamo misurare direttamente il valore dell’entalpia, ma possiamo arrivare alla conclusione considerando il cambiamento di entalpia standard della combustione della grafite e quello del diamante)

Quindi, il cambiamento di entalpia standard si riferisce al cambiamento di entalpia standard in condizioni standard e i reagenti e i prodotti sono in stati standard.

Nella parte seguente, discuterò le tecniche che usano la legge di Hess per risolvere i problemi incontrati nella chimica delle scuole superiori.

La variazione di entalpia standard della combustione (ΔH°c)

La variazione di entalpia standard della combustione è la variazione di entalpia quando 1 mole di sostanza viene bruciata completamente in ossigeno in condizioni standard e tutti i reagenti e prodotti sono in stati standard, se necessario. Una semplice notazione della variazione entalpica standard della combustione del carbonio si scrive in questo modo: ΔH°c

Dalla definizione, significa,

1. Il reagente deve essere combustibile. Se il reagente non è combustibile, per esempio l’anidride carbonica. Definire la variazione standard dell’entalpia di combustione dell’anidride carbonica non ha senso. Limita il suo uso alle sole sostanze combustibili, quando si confronta con l’entalpia standard di formazione che è applicabile nella maggior parte dei casi.
2. Il coefficiente del reagente nell’equazione chimica deve essere 1. È importante perché quando si usa l’equazione sbagliata per rappresentare il cambiamento di entalpia standard della combustione, il calcolo per il cambiamento di entalpia dell’equazione desiderata sarà vano. (vedi il diagramma qui sotto)
3. Se i reagenti e i prodotti dell’equazione desiderata sono tutti combustibili, possiamo usare i valori della variazione entalpica standard della combustione per trovare le rispettive variazioni entalpiche. (es. idrogenazione di etene a etano, dove etene, idrogeno ed etano sono tutti combustibili.)

Esempio: Idrogenazione dell’etene

Consideriamo l’idrogenazione dell’etene. Vogliamo trovare la variazione entalpica dell’idrogenazione dell’etene. L’equazione è la seguente:

(Notate che quando menzioniamo una particolare sostanza nel nostro termine standard di variazione dell’entalpia, il coefficiente di quella particolare sostanza deve essere 1. Qui il coefficente dell’etene è 1, è ok ora.)

L’idrogenazione non è fattibile in condizioni standard. Come detto sopra, tutti i reagenti e i prodotti sono combustibili. Faremo uso dei dati standard di variazione dell’entalpia di combustione (che possono essere trovati nel databook o con un esperimento con un calorimetro a bomba) per trovare il delta H sconosciuto della nostra reazione mirata.

Ci sono due modi di risolvere i problemi della Legge di Hess:

A: Metodo algebrico

Il metodo algebrico è effettivamente un metodo migliore per risolvere i problemi della Legge di Hess. Tuttavia, nella maggior parte dei libri di testo di chimica, si preferisce usare quest’ultimo “ciclo entalpico”.

È simile al modo in cui si risolve un problema di equazioni simultanee. Sembra complicato, ma nella maggior parte dei problemi d’esame, puoi risolvere il problema semplicemente guardando la direzione e il coefficiente dei reagenti e dei prodotti.

Nota che etene e idrogeno (equazione 1 ed equazione 2) sono sulla sinistra, che è la stessa direzione dell’equazione desiderata, e l’etano è nella direzione opposta. Inoltre appaiono solo una volta, il che significa che nessun’altra equazione influenzerà il coefficiente delle sostanze che abbiamo impostato.

Possiamo convertirlo moltiplicando -1 a delta H3 per capovolgere l’equazione 3 nella direzione opposta in modo che l’etano sia nella parte destra.Il risultato mostra la relazione:

Guarda! Il problema è risolto e la risposta è:

Prendiamo in considerazione un caso più difficile dopo aver introdotto il ciclo entalpico.

B: Ciclo entalpico.

Possiamo anche costruire un ciclo entalpico passo dopo passo per risolvere il problema della legge di Hess.

Il rosso si riferisce all’equazione 1, il verde all’equazione 2 e il viola all’equazione 3. Attenzione al numero di ossigeno aggiunto e alla rappresentazione della variazione entalpica. I passi laterali del reagente sono di solito combinati in un solo passo nel libro di testo, ma voglio mostrarvi passo per passo per riferimento. stesso numero di ossigeno sono aggiunti (3,5). Se non è lo stesso, significa che è successo qualcosa di sbagliato.

Possiamo trattare la freccia come un vettore e usare il “metodo testa-coda” per risolvere il problema. La somma è uguale alla coda aggiunta alla testa.

Quindi le equazioni 1 e 2 sono nella stessa direzione della nostra freccia e l’equazione 3 è opposta alla nostra freccia. Quindi l’equazione 3 viene capovolta per invertire la direzione. Abbiamo lo stesso risultato.

Esempio: Idrogenazione dell’etene

Questa volta, usiamo la stessa equazione, ma usando i dati della variazione di entalpia standard di formazione per risolvere i problemi.

La variazione di entalpia standard di formazione è la variazione di entalpia quando 1 mole di sostanza si forma dai suoi elementi costituenti nei loro stati standard in condizioni standard. L’attore principale è il prodotto e il coefficiente del prodotto indicato nell’equazione deve essere di uno. Una semplice notazione del cambiamento di entalpia standard di formazione dell’anidride carbonica è scritta in questo modo: ΔH°f

I diagrammi mostrano il metodo algebrico e il ciclo entalpico per risolvere il problema.

Nota:

1. La variazione entalpica standard di formazione dell’idrogeno è zero. Si può capire guardando l’equazione rappresentata. Non significa nulla.
2. L’applicazione che usa il cambiamento di entalpia standard di dati di formazione ha una flessibilità maggiore di quella del cambiamento di entalpia standard di combustione (che limita alla sostanza che è combustibile.)

Tattica per risolvere la legge di Hess

Finora, sembra che i problemi siano facili da risolvere sia con la media algebrica che con il ciclo entalpico. Vediamo il seguente esempio.

Difficoltà:

1. Nitrogeno, idrogeno appaiono più di una volta nella serie di equazioni.
2. Costruire il ciclo entalpico richiede passi difficili.

Soluzione:

Metodo algebrico

Solvere prima le variabili più facili, cioè la sostanza che appare una sola volta – cloro e cloruro di idrogeno.

Prova a trovare l’operazione sull’equazione 2 usando l’equazione 1 e l’equazione 3 note.

Ammonia appare sulla destra. Non appare nella nostra equazione obiettivo. Deve essere annullata dall’equazione rimanente 2. Per eliminare l’ammoniaca, la variazione entalpica deve essere moltiplicata per -1. I risultati seguono.

Ciclo entalpico

Per collegare la nostra equazione obiettivo all’equazione 2 dobbiamo aggiungere entrambi i lati dello stesso numero di ammoniaca. Altrimenti non possiamo nemmeno costruire il ciclo a causa dell’assenza di sostanze che si adattano a qualsiasi serie di equazioni.

Poi, come di solito, partiamo da una delle due parti e costruiamo il ciclo:

Dalla coda alla testa, otteniamo lo stesso risultato:

Il metodo algebrico è un metodo migliore e a volte negli esami aperti ti viene richiesto di risolvere il problema usando il ciclo entalpico. Quando la domanda diventa difficile, puoi pensare al ciclo entalpico risolvendolo prima con il metodo algebrico. Aggiungete gli elementi/composti necessari all’inizio su entrambi i lati per “iniziare” il vostro ciclo entalpico.

Spero che vi piaccia e comprendiate le capacità di risolvere i problemi della legge di Hess che si incontrano nella Chimica delle scuole superiori.