Uso de la ley de Hess para calcular el cambio en entalpía de una reacción

Introducción a la ley de Hess

La entalpía, o cambio de entalpía, es la cantidad de energía (en forma de calor) que se ha transferido o absorbido durante una reacción química. Entonces, ¿por qué necesitamos saber esto? Digamos que estás haciendo una reacción química y, en el proceso, no quieres hacerte explotar. Para asegurarse de que esto no suceda, es bueno saber cuánta energía se emitirá o absorberá durante una reacción química. Después de todo, una reacción enormemente exotérmica podría arruinarte el día, sin mencionar tu cabello. Una forma de medir el cambio de entalpía es utilizar la ley de Hess. Definiremos exactamente qué es la Ley de Hess un poco más adelante. Un punto realmente importante que debe saber es que la ley de Hess funciona porque la entalpía es una función de estado. ¡Esta es una gran noticia! Con una función de estado, todo lo que le interesa es dónde comienza y dónde termina. Cómo llegaste allí no es importante. El cambio de entalpía se puede determinar directamente mediante calorimetría o se puede calcular mediante varios pasos. Lo calculamos a través de múltiples pasos, donde no es posible medirlo directamente; y aquí es donde entra en juego la ley de Hess. La ley de Hess es una forma realmente fácil de medir el cambio de entalpía de una reacción química. El cambio de entalpía es el mismo si la reacción tiene lugar en un paso o en una serie de pasos. Usamos la Ley de Hess sumando o restando reacciones químicas con los mismos productos o reactivos que nos interesa.

Ecuaciones termoquímicas

Bien, esta suma y resta de reacciones químicas para encontrar el cambio de entalpía puede no tener mucho sentido en este momento. Entonces, para ayudarnos a comprender mejor por qué funciona la ley de Hess, comencemos por mirar algo llamado ecuaciones termoquímicas. Se trata de un tipo especial de ecuación química que muestra el cambio de entalpía que pasa de los reactivos a los productos. Aquí hay un ejemplo de una ecuación termoquímica: N2 (g) + 2O2 (g) -> 2NO2 (g), delta H = +68 kJ. Aquí puede ver una ecuación química normal a la que está acostumbrado. El nitrógeno se agrega junto con el oxígeno para formar dióxido de nitrógeno. Siempre verifique que esté equilibrado, y verá que lo está. Verá en el lado derecho un poco de información adicional que probablemente no haya visto antes. Este es el bit termoquímico y es el delta H, el valor de cambio de entalpía para esta reacción. En este caso, delta H es igual a +68 kJ. El signo positivo nos dice que la reacción absorbe calor. Un signo negativo nos dice que la reacción libera calor. Entonces, para esta reacción ahora tenemos dos piezas de información: la reacción química en sí, correctamente equilibrada, y la cantidad de cambio de entalpía para esa reacción. Están directamente relacionados y se pueden utilizar en los cálculos de la Ley de Hess.

Manipulación de ecuaciones termoquímicas

Ahora, volvamos a nuestra ecuación simple de antes y veamos qué podemos hacer con ella. Para que esta reacción forme dióxido de nitrógeno, el cambio de entalpía es +68 kJ. Este es el valor si hiciéramos esta reacción en un solo paso. Verá que he agregado un pequeño 1 al lado del delta H para resaltar esto:

También es posible realizar esta reacción en dos pasos separados:

1. Entonces, veamos el primer paso. Aquí, un mol de nitrógeno más un mol de oxígeno se unen para formar dos moles de monóxido de nitrógeno. Este paso tiene un valor delta H de +180 kJ.
2. Ahora hay un segundo paso, donde los dos moles de monóxido de nitrógeno reaccionan con otro mol de oxígeno para formar dos moles de dióxido de nitrógeno. Este paso tiene un delta H de -112 kJ.

Ahora, puede ver a dónde vamos a ir con esto. Podemos hacer algo inteligente aquí y sumar estos dos pasos para obtener la reacción general. Entonces, hagamos esto. Lo primero que hay que notar es que aparecen dos moles de monóxido de nitrógeno en ambos lados, por lo que simplemente podemos tacharlos porque se cancelan. Ahora, tenga cuidado cuando haga cancelaciones como esta, ya que ambas especies están en la misma fase. Aquí están los dos gases, así que podemos. Y ahora, si sumamos ambas ecuaciones, puede ver que hemos vuelto a nuestra reacción original. Sumando nuestros delta Hs, tenemos (180 kJ) + (-112 kJ) igual a +68 kJ. Este es el valor de delta H1. Podemos decir que delta H1 = delta H2 + delta H3. Esto es realmente útil, especialmente si no conocíamos el valor de delta H1. Este fue un ejemplo bastante simple porque no tuvimos que hacer demasiado en nuestros dos pasos para recuperar nuestra ecuación original. Sin embargo, es posible manipular ecuaciones mucho más que esto. Verá esto cuando veamos el siguiente ejemplo resuelto. Un punto realmente clave para recordar es que debe manipular ambas partes de la reacción termoquímica. En otras palabras, hagas lo que hagas con la reacción, debes hacer con el valor delta H.

Uso de la ley de Hess para calcular el cambio de entalpía de una reacción

Antes de pasar al ejemplo, permítame repasar dos reglas de manipulación para recordar cuando trabaje con la ley de Hess.

El valor de delta H es directamente proporcional a la cantidad de reactivo o producto para la reacción como está escrito. Por ejemplo, si multiplica un paso por 2, entonces delta H también debe multiplicarse por 2. La segunda regla significa que el delta H para una reacción es igual en magnitud pero de signo opuesto al delta H para la reacción inversa. En pocas palabras, si invierto un paso de reacción, también tengo que invertir el signo del delta H. Bien, armados con nuestro nuevo conocimiento, hagamos un ejemplo: el monóxido de carbono, CO, es un gas venenoso. Puede obtenerse quemando carbón en una cantidad limitada de oxígeno. Dadas las siguientes ecuaciones:

• C (s) + O2 (g) -> CO2 (g), delta H = -393.5 kJ
• 2CO (g) + O2 (g) -> 2CO2 (g), delta H = -566,6 kJ

Calcule delta H para la reacción. La clave aquí es trabajar con la información proporcionada hasta que obtenga dos ecuaciones que se sumen y den la ecuación que realmente desea. Ahora, comenzaré centrándome en el monóxido de carbono, tal como aparece en solo una de las ecuaciones. Queremos un mol de monóxido de carbono en el lado derecho de la ecuación y no en el izquierdo. Para obtener la ecuación que queremos, invertimos la ecuación (2) y dividimos los coeficientes entre 2. Estamos aplicando la regla uno y la regla dos, una tras otra. Después de aplicar estas reglas, terminamos con la siguiente ecuación: CO2 (g) + CO (g) -> 1 / 2O2 (g), delta H = +283.3 kJ. Observe que hemos manipulado el valor delta H de la misma manera; hemos invertido el signo y lo hemos dividido entre 2. El paso final es agregarlo a la ecuación 1 y simplificar. Simplemente podemos cancelar los dióxidos de carbono y recopilar los términos de oxígeno juntos. Ahora tenemos la reacción que queríamos y calculamos el delta H para esta reacción como -110,2 kJ.

Resumen de la lección

En esta lección, ha aprendido que la entalpía es una función de estado, por lo que podemos usar la ley de Hess para calcular el cambio de entalpía de una reacción química de varios pasos. La ley de Hess es una forma fácil de calcular el cambio de entalpía porque simplemente puede sumar o restar varios pasos de una reacción. Ha aprendido que una ecuación termoquímica incluye tanto la reacción química como el valor de cambio de entalpía para esa reacción. Las ecuaciones termoquímicas se pueden manipular para obtener la reacción deseada. La regla de manipulación importante que debe recordar es cualquier cosa que haga con la reacción química, también debe hacer con el valor de cambio de entalpía.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado con esta lección, debería poder:

• Explica qué es el cambio de entalpía.
• Definir ecuaciones termoquímicas y recordar cómo manipularlas.
• Explica cómo usar la ley de Hess para calcular el cambio de entalpía de una reacción cuando hay varios pasos.
• Recuerde las dos reglas de manipulación cuando trabaje con la ley de Hess

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Rodrigo Ricardo Editor y fundador