Solver os problemas da Lei de Hess

A Lei de Hess afirma que a mudança de entalpia de uma reação química (o processo físico também está bem) é independente das rotas pelas quais a reação ocorre. Mas como funciona?

Origem da Lei de Hess

Bem, a lei é uma expressão da lei simples mas importante da conservação da energia – afirmando que a energia é conservada; a energia não pode ser criada nem destruída, mas apenas transferida de uma forma de energia para outra forma de energia. Por exemplo, a combustão do metano envolve a transferência de energia química para o calor.

Outra razão é que a própria “entalpia” é uma função de estado. A mudança, chamada mudança de entalpia, depende apenas do estado inicial e do estado final. Quando você vai de Londres para Nova York, você pode usar o vôo direto ou o vôo indireto. O custo e o tempo de viagem dependem das rotas que você utiliza. Numa perspectiva mais científica, o trabalho feito contra a fricção depende da(s) rota(s) que você tomar, quanto mais longa a rota envolvida, o valor é maior.

Por outro lado, para a mudança de entalpia, não depende. Ela é independente da(s) rota(s) pela(s) qual(is) a reação ocorre. dadas as mesmas condições. Você pode tratá-la como um vetor se não quiser se envolver em conceitos mais complicados.

Uso da Lei de Hess em princípio

Na química, muitas vezes encontramos reações químicas que são reversíveis, com formação de produtos secundários ou a reação não ocorre em condições padrão, como exigido. As restrições existem! A avaliação da mudança de entalpia da reação diretamente pela experiência não é viável. Neste caso, a mudança de entalpia pode ser deduzida indiretamente pela Lei de Hess usando um/outro conjunto de reações químicas que podem alcançar o mesmo conjunto de reagentes e produtos através da combinação de equações. O conjunto de reações escolhido são geralmente experimentos viáveis com configurações experimentais simples ou com dados disponíveis em banco de dados. Mudança de entalpia padrão de formação e mudança de entalpia padrão de combustão de muitas substâncias químicas são dois conjuntos de dados que têm sido bem estudados pelos cientistas. Os dados estão disponíveis com alta precisão e são uma boa fonte de dados para descobrir a mudança de entalpia da reação que queremos.

Standard Conditions? Estados Padrão?

As condições ambientais como temperatura, pressão e concentração afetam o valor de mudança de entalpia obtido, temos que definir bem as condições e estados que usamos. É por isso que temos condições padrão, estados padrão e mudança de entalpia padrão.

As condições padrão referem-se a 1 atm, 298K e o estado padrão refere-se à forma termodinâmica mais estável do elemento.
Por exemplo, grafite e diamante são feitos de carbono. Eles são elementos. Mas o grafite é usado como estado padrão de carbono porque o grafite é termodinamicamente mais estável do que o diamante. Ela tem uma entalpia mais baixa. (Em teoria não podemos medir diretamente o valor da entalpia, mas podemos chegar à conclusão considerando a mudança de entalpia padrão de combustão da grafite e do diamante)

Assim, a mudança de entalpia padrão refere-se à mudança de entalpia padrão sob condições padrão e os reagentes e produtos estão em estados padrão.

Na parte seguinte, discutirei as técnicas usando a Lei de Hess para resolver problemas encontrados na Química do Ensino Médio.

Entropia padrão de combustão (ΔH°c)

Entropia padrão de combustão é a mudança de entalpia quando 1 mol de substância é queimada completamente em oxigênio sob condições padrão e todos os reagentes e produtos devem estar em estados padrão, se necessário. Uma simples notação da alteração de entalpia padrão de combustão do carbono é escrita desta forma: ΔH°c

Da definição, significa,

1. O reagente deve ser combustível. Se o reagente não for combustível, por exemplo, o dióxido de carbono. A definição de mudança de entalpia padrão de combustão do dióxido de carbono não tem significado. Ela limita o seu uso apenas a substâncias combustíveis, quando comparada com a entalpia padrão de formação que é aplicável na maioria dos casos.
2. Coeficiente de reagente na equação química deve ser 1. É importante porque quando você usa a equação errada para representar a mudança de entalpia padrão de combustão, o cálculo para a mudança de entalpia da equação desejada será em vão. (veja o diagrama abaixo)
3. Se os reagentes e produtos da equação alvo são todos combustíveis, podemos fazer uso dos valores da mudança de entalpia padrão de combustão para encontrar as respectivas mudanças de entalpia. (por exemplo, hidrogenação do eteno ao etano, onde o eteno, hidrogênio e etano são todos combustíveis.)

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Exemplo: Hidrogenação do eteno

Considerar a hidrogenação do eteno. Desejamos encontrar a mudança de entalpia da hidrogenação do eteno. A equação é a seguinte:

(Note que quando mencionamos uma substância em particular no nosso termo padrão de mudança de entalpia, o coeficiente dessa substância em particular será 1. Aqui o coeficiente do eteno é 1, está bem agora.)

A hidrogenação não é viável em condições padrão. Como dito acima, todos os reagentes e produtos são combustíveis. Vamos fazer uso dos dados padrão de mudança de entalpia de combustão (que podem ser encontrados em banco de dados ou realizados através de experimentos usando um calorímetro de bomba) para descobrir o delta H desconhecido da nossa reação alvo.

Existem duas formas de resolver os problemas da Lei de Hess:

A: Método Algébrico

O método algébrico é na verdade um método melhor para resolver os problemas da Lei de Hess. Entretanto, na maioria dos livros de química, o último “ciclo de entalpia” é preferido para ser usado.

É semelhante à forma como você resolve um problema de equações simultâneas. Parece complicado, mas na maioria dos problemas de exame, você pode resolver o problema apenas olhando a direção e coeficiente dos reagentes e produtos.

Notem que o eteno e hidrogênio (equação 1 e equação 2) estão do lado esquerdo, que é a mesma direção da equação desejada, e o eteno está em direção oposta. Elas também aparecem apenas uma vez, o que significa que nenhuma outra equação afetará o coeficiente de substâncias que estabelecemos.

Podemos convertê-la multiplicando -1 por delta H3 para inverter a equação 3 na direção oposta, de modo que o etano esteja no lado direito.Os resultados mostram a relação:

Vejam! O problema está resolvido e a resposta é:

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Consideraremos um caso mais difícil depois de introduzir o ciclo de entalpia.

B: Ciclo de Enthalpy.

Também podemos construir um ciclo de entalpia passo a passo para resolver o problema da Lei de Hess.

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O vermelho refere-se à equação 1, o verde refere-se à equação 2 e o roxo à equação 3. Cuidado com o número de oxigênio adicionado e com a representação da mudança de entalpia. Os passos laterais reagentes são geralmente combinados em um passo no livro didático, mas quero mostrar passo a passo para referência. o mesmo número de oxigênio é adicionado (3,5). Se não for o mesmo, isso significa que algo errado aconteceu.

Podemos tratar a seta como um vetor e usar o “método frente a frente” para resolver o problema. A soma é igual à cauda adicionada à cabeça.

Então as equações 1 e 2 estão na mesma direção que a nossa seta e a equação 3 é oposta à nossa seta. Assim, a equação 3 é virada para girar a direção. Temos o mesmo resultado.

Exemplo: Hidrogenação do eteno

Esta vez, usamos a mesma equação, mas usando dados de mudança de entalpia padrão de formação para resolver os problemas.

Entropia padrão de formação é a mudança de entalpia quando 1 mole de substância é formada a partir de seus elementos constituintes em seus estados padrão em condições padrão. O ator principal é o produto e o coeficiente do produto mostrado na equação deve ser de um. Uma simples notação da mudança de entalpia padrão de formação de dióxido de carbono é escrita desta forma: ΔH°f

Os diagramas mostram o método algébrico e o ciclo de entalpia para resolver o problema.

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Nota:

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1. A mudança padrão de entalpia de formação do hidrogênio é zero. Você pode entender olhando para a equação representada. Isto significa nada.
2. A aplicação usando a mudança de entalpia padrão dos dados de formação tem uma maior flexibilidade do que a mudança de entalpia padrão de combustão (que limita a substância que é combustível.)

Táctica para resolver a Lei de Hess

Até agora, parece que os problemas são fáceis de serem resolvidos tanto pela média algébrica como pelo ciclo de entalpia. Vejamos o seguinte exemplo.

Dificuldade:

1. Nitrogênio, hidrogênio aparece mais de uma vez no conjunto de equações.
2. Ciclo de construção da entalpia necessita de passos complicados.

Solução:

Método algébrico

Solver primeiro as variáveis mais fáceis, ou seja, substância que aparece uma só vez – cloro e cloreto de hidrogénio.

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Tenta descobrir a operação na equação 2 usando a equação 1 e a equação 3 conhecidas.

Ammonia aparece do lado direito. Ela não aparece na nossa equação de destino. Ela deve ser cancelada pela equação 2 restante. Para eliminar o amoníaco, a mudança de entalpia deve ser multiplicada por -1. Os resultados são os seguintes.

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Ciclo de entalpia

Temos de adicionar ambos os lados do mesmo número de amoníaco para ligar a nossa equação alvo à equação 2. Caso contrário, nem sequer podemos construir o ciclo devido à ausência de substâncias que se encaixem em qualquer conjunto de equações.

Então, como normalmente, começamos de cada lado e construímos o ciclo:

Da cauda para a cabeça, obtemos o mesmo resultado:

O método algébrico é um método melhor e às vezes, em exame aberto, é necessário resolver o problema usando o ciclo de entalpia. Quando a questão se torna difícil, você pode pensar no ciclo de entalpia, resolvendo-o primeiro no método algébrico. Adicione elementos/compostos necessários no início de ambos os lados para “iniciar” seu ciclo de entalpia.

Eu espero que você goste e entenda as habilidades de resolução de problemas de Direito de Hess encontrados no ensino médio de Química.