Biología

Usando a lei de Hess para calcular a mudança na entalpia de uma reação

Introdução à Lei de Hess

Entalpia, ou mudança de entalpia , é a quantidade de energia (na forma de calor) que foi transferida para fora ou para dentro durante uma reação química. Então, por que precisamos saber disso? Digamos que você esteja fazendo uma reação química e não queira se explodir no processo. Para garantir que isso não aconteça, é bom saber quanta energia será emitida ou absorvida durante uma reação química. Afinal, uma reação extremamente exotérmica pode realmente arruinar o seu dia, sem falar no seu cabelo.

Uma maneira de medir a mudança de entalpia é usar a Lei de Hess. Vamos definir exatamente o que é a Lei de Hess um pouco mais tarde. Um ponto realmente importante que você deve saber é que a Lei de Hess funciona porque a entalpia é uma função de estado. Esta é uma notícia incrível! Com uma função de estado, tudo o que interessa é onde você começa e onde termina. Como você chegou lá não é importante.

A alteração da entalpia pode ser determinada diretamente usando calorimetria ou pode ser calculada por meio de várias etapas. Calculamos em várias etapas, onde não é possível medi-lo diretamente; e é aí que entra a Lei de Hess.

A Lei de Hess é uma maneira realmente fácil de medir a variação de entalpia de uma reação química. A mudança de entalpia é a mesma, quer a reação ocorra em uma etapa ou em uma série de etapas. Usamos a Lei de Hess adicionando ou subtraindo reações químicas com os mesmos produtos ou reagentes daquele em que estamos interessados.

Equações termoquímicas

Ok, adicionar e subtrair reações químicas para encontrar a alteração da entalpia pode não fazer muito sentido agora. Portanto, para nos ajudar a entender mais por que a Lei de Hess funciona, vamos começar examinando algo chamado equações termoquímicas . Trata-se de um tipo especial de equação química que mostra a mudança de entalpia passando dos reagentes aos produtos. Aqui está um exemplo de uma equação termoquímica: N2 (g) + 2O2 (g) -> 2NO2 (g), delta H = +68 kJ.

Aqui você pode ver uma equação química normal com a qual está acostumado. O nitrogênio é adicionado junto com o oxigênio para formar o dióxido de nitrogênio. Sempre verifique se ele está equilibrado e você pode ver que está.

Você verá no lado direito um pouco de informação extra que provavelmente não viu antes. Este é o bit termoquímico e é o delta H, o valor de mudança de entalpia para esta reação. Neste caso, delta H é igual a +68 kJ. O sinal positivo nos diz que o calor é absorvido pela reação. Um sinal negativo nos diz que o calor é liberado pela reação.

Portanto, para essa reação, temos agora duas informações: a própria reação química, corretamente balanceada, e a quantidade de alteração de entalpia para essa reação. Eles estão diretamente relacionados e podem ser usados ​​nos cálculos da Lei de Hess.

Manipulando Equações Termoquímicas

Agora, vamos voltar à nossa equação simples de antes e ver o que podemos fazer com ela. Para que essa reação forme dióxido de nitrogênio, a alteração da entalpia é de +68 kJ. Este é o valor se fizermos essa reação em uma única etapa. Você verá que adicionei um pequeno 1 próximo ao delta H para destacar isso:

equação termoquímica

Também é possível realizar esta reação em duas etapas separadas:

duas equações termoquímicas para etapas
  1. Portanto, vamos dar uma olhada na primeira etapa. Aqui, um mol de nitrogênio mais um mol de oxigênio se reúnem para formar dois moles de monóxido de nitrogênio. Esta etapa tem um valor delta H de +180 kJ.
  2. Agora há uma segunda etapa, onde os dois moles de monóxido de nitrogênio reagem com outro mol de oxigênio para formar dois moles de dióxido de nitrogênio. Esta etapa tem um delta H de -112 kJ.

Agora, você pode ver onde estamos indo com isso. Podemos fazer algo inteligente aqui e somar essas duas etapas para obter a reação geral. Então, vamos fazer isso. A primeira coisa a notar é que dois mols de monóxido de nitrogênio aparecem em ambos os lados, então podemos simplesmente riscá-los porque eles se cancelam. Agora, tome cuidado ao fazer cancelamentos como este para que ambas as espécies estejam na mesma fase. Aqui estão os dois gases, então podemos.

E agora, se somarmos as duas equações, você pode ver que voltamos à nossa reação original. Somando nosso delta Hs, temos (180 kJ) + (-112 kJ) igual a +68 kJ. Este é o valor do delta H1. Podemos dizer que delta H1 = delta H2 + delta H3. Isso é muito útil, principalmente se não soubéssemos o valor do delta H1.

Este foi um exemplo bastante simples porque não precisamos fazer muito em nossas duas etapas para obter nossa equação original de volta. No entanto, é possível manipular equações muito mais do que isso. Você verá isso quando examinarmos o exemplo trabalhado a seguir. Um ponto realmente importante a lembrar é que você deve manipular ambas as partes da reação termoquímica. Em outras palavras, o que quer que você faça com a reação, você deve fazer com o valor delta H.

Usando a lei de Hess para calcular a mudança de entalpia de uma reação

Antes de irmos para o exemplo, deixe-me passar por duas regras de manipulação para lembrar quando você estiver trabalhando com a Lei de Hess.

O que você faz com a reação O que você faz para alterar o valor da entalpia
Coeficientes em equações balanceadas são multiplicados por um inteiro O valor de alteração da entalpia é multiplicado pelo mesmo número inteiro
A reação química é revertida O sinal do valor de mudança de entalpia é revertido

O valor de delta H é diretamente proporcional à quantidade de reagente ou produto para a reação como escrito. Por exemplo, se você multiplicar uma etapa por 2, o delta H também deverá ser multiplicado por 2.

A segunda regra significa que o delta H para uma reação é igual em magnitude, mas com sinal oposto ao delta H para a reação reversa. Simplificando, se eu inverter uma etapa de reação, também tenho que inverter o sinal do delta H.

Ok, armados com nosso novo conhecimento, vamos dar um exemplo: O monóxido de carbono, CO, é um gás venenoso. Pode ser obtido queimando carbono em uma quantidade limitada de oxigênio. Dadas as seguintes equações:

  • C (s) + O2 (g) -> CO2 (g), delta H = -393,5 kJ
  • 2CO (g) + O2 (g) -> 2CO2 (g), delta H = -566,6 kJ

Calcule o delta H para a reação.

A chave aqui é trabalhar com as informações fornecidas até obter duas equações que serão somadas e fornecerão a equação que você realmente deseja. Agora, vou começar focando no monóxido de carbono, como ele aparece em apenas uma das equações. Queremos um mol de monóxido de carbono no lado direito da equação e não no esquerdo.

Para obter a equação desejada, invertemos a equação (2) e dividimos os coeficientes por 2. Estamos aplicando a regra um e a regra dois, uma após a outra. Depois de aplicar essas regras, chegamos à seguinte equação: CO2 (g) + CO (g) -> 1 / 2O2 (g), delta H = +283,3 kJ. Observe que manipulamos o valor delta H da mesma maneira; invertemos o sinal e o dividimos por 2.

A etapa final é adicioná-lo à equação 1 e simplificar. Podemos simplesmente cancelar o dióxido de carbono e coletar os termos de oxigênio juntos. Agora temos a reação que queríamos e calculamos o delta H para esta reação como -110,2 kJ.

Resumo da lição

Nesta lição, você aprendeu que a entalpia é uma função de estado e, portanto, podemos usar a Lei de Hess para calcular a mudança de entalpia de uma reação química de várias etapas. A Lei de Hess é uma maneira fácil de calcular a mudança de entalpia porque você pode simplesmente adicionar ou subtrair várias etapas de uma reação. Você aprendeu que uma equação termoquímica inclui a reação química e o valor de alteração da entalpia para essa reação. Equações termoquímicas podem ser manipuladas para obter a reação desejada. A regra de manipulação importante a lembrar é que tudo o que você fizer com a reação química, você também deve fazer com o valor de alteração da entalpia.

Resultados de Aprendizagem

Depois de terminar esta lição, você será capaz de:

  • Explique o que é mudança de entalpia
  • Defina a equação termoquímica e lembre-se de como manipulá-la
  • Explicar como usar a Lei de Hess para calcular a mudança de entalpia de uma reação quando há várias etapas
  • Lembre-se das duas regras de manipulação ao trabalhar com a Lei de Hess