Chimica fisica- Legge di Hess e sue applicazioni

La legge di Hess consente di  considerare una reazione tenendo conto dello stato iniziale e finale.

“Il calore scambiato in una reazione, sotto il vincolo della pressione costante, è indipendente dalle eventuali reazioni intermedie, ma dipende solo dallo stato iniziale e finale del sistema chimico”.

La legge di Hess può essere sfruttata quando non è possibile determinare il calore di reazione per via calorimetrica diretta.

Per molte reazioni, a causa della formazione di composti indesiderati, non è possibile per via calorimetrica diretta, la determinazione sperimentale del calore di reazione.

All’uopo è utilizzata la legge guida della termochimica che è la legge di Hess

Applicazioni 

Si supponga di voler determinare il calore messo in gioco nella reazione di sintesi del monossido di carbonio a partire dagli elementi che avviene secondo la reazione :
C _(s) + ½ O_2(g) = CO_(g)

Poiché uno dei prodotti collaterali della reazione è il biossido di carbonio CO₂ la variazione di entalpia non può essere determinata per via diretta.

Per la legge di Hess il problema può essere risolto in quanto si conoscono le entalpie di formazione delle reazioni :

1)       C_(s) + O_2(g)= CO_2(g)  con ΔH₁ = – 94.05 kcal/mol

2)     CO_(g) + ½ O_2(g) = CO_2(g)  con ΔH₂ = – 67.41 kcal/mol

Schematizziamo il problema  nel modo seguente:

essendo la reazione di  cui si vuole conoscere la variazione di entalpia , che denotiamo con ΔH_x quella che porta allo stato intermedio.

Possiamo dire che ΔH_x + ΔH₂ = ΔH₁ da cui

ΔHx = ΔH ₁  – ΔH₂ = – 94.05 – ( – 67.41) = – 26.64 kcal/mol

Come ulteriore esempio  determiniamo il calore di formazione del benzene a partire dagli elementi :

6 C _(s) + 3 H_2(g) = C₆H_6(l)   ( A )

Il calore di formazione del benzene non è effettuabile sperimentalmente in quanto nel corso della reazione si formano una serie di altri idrocarburi che non ci consentono tale determinazione per via diretta.

Il problema, quindi, può essere affrontato per via indiretta sfruttando la conoscenza dei valori connessi al calore di combustione degli elementi e il calore di combustione del composto .

Esercizio

Alla temperatura di 25 °C risultano tabulati infatti i seguenti valori :

1)       6 C_(s) + 6 O_2(g) = 6 CO_2(g)    ΔH₁ = – 564.3 kcal/mol

2)     3 H_2(g) + 3/2 O_2(g) = 3 H₂O _(l) ΔH₂= – 204.96 kcal/mol

3)     C₆H_6(l) + 15/2 O_2(g) = 6 CO_2(g) + 3 H₂O_(l)  ΔH₃ = – 783 kcal/mol

Se la reazione 3) viene scritta nel senso inverso si ha :

4)   6 CO_2(g) + 3 H₂O _(l) = C₆H_6(l) + 15/2 O_2(g)

E in tale reazione  la variazione di entalpia avrà segno opposto ovvero avrà segno positivo 783 kcal/mol

Sommando membro a membro la 1) , la 2) e la 4) e operando le opportune semplificazioni ossia cancellando ogni termine che compare sia a destra che a sinistra otteniamo la (A) cioè la reazione della quale si vuole determinare il calore di reazione. Sfruttando la legge di Hess quindi si sommano le entalpie di ciascuna delle reazioni 1), 2) e 4) e si ha :

ΔH = – 564.3 – 204.96 + 783 = 13.7 kcal/mol che è il valore ricercato.