A lei de Hess, também conhecida como lei da soma do calor, é um princípio fundamental em química e termodinâmica que permite prever mudanças na entalpia de uma reação química a partir de informações de entalpia de reações químicas anteriores.
Esta lei, batizada em homenagem ao químico russo-alemão Germain Henri Hess, tem sido um pilar na compreensão da energia envolvida nas reações químicas e tem desempenhado um papel crucial na formulação de teorias e na previsão de reações químicas.
Definição: O que diz a lei de Hess?
A lei de Hess baseia-se no princípio fundamental de que a variação da entalpia de uma reação química é uma grandeza extensa, o que significa que o seu valor não depende da forma como se atinge a reação final, mas apenas dos estados inicial e final. .
Em outras palavras, se uma reação química puder ser dividida em vários estágios intermediários, a variação na entalpia total será igual à soma das variações na entalpia desses estágios intermediários.
Exemplo explicativo
Para entender melhor esse conceito, consideremos o seguinte exemplo.
Suponha que queremos determinar a variação da entalpia da reação A → C, mas não temos a informação direta para esta reação. No entanto, temos informações sobre as reações A → B e B → C, e podemos usar a lei de Hess para calcular a variação da entalpia de A → C.
A lei de Hess afirma que:
ΔH(A → C) = ΔH(A → B) + ΔH(B → C)
Em outras palavras, a variação da entalpia da reação A → C é igual à soma das variações da entalpia das reações A → B e B → C. Este princípio é válido mesmo que as reações intermediárias não sejam reais e apenas elas são usados como uma forma de quebrar a reação desejada em etapas menores.
Fórmula da lei de Hess
A lei de Hess é expressa pela seguinte fórmula:
ΔH_total = ΣΔH_produtos - ΣΔH_reagentes
Onde:
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ΔH_total é a mudança na entalpia da reação química em questão.
-
Σ (sigma) indica a soma dos termos.
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ΔH_produtos é a soma das entalpias dos produtos da reação.
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ΔH_reagentes é a soma das entalpias dos reagentes da reação.
Exemplos de aplicações da lei de Hess
- Cálculo das variações na entalpia de formação padrão : A entalpia de formação padrão é a entalpia de uma reação que forma um mol de uma substância a partir de seus elementos em seu estado mais estável a 25°C e 1 atmosfera de pressão. A lei de Hess é usada para calcular essas entalpias de formação padrão, que fornece informações cruciais sobre a estabilidade de compostos químicos.
- Prever a viabilidade de reações químicas : Conhecendo as mudanças na entalpia das reações químicas envolvidas, é possível determinar se uma reação será exotérmica (libera calor) ou endotérmica (absorve calor). Isto é essencial para prever se uma reação é termodinamicamente favorável ou desfavorável.
- Otimização de processos industriais : Na indústria química, a lei de Hess é utilizada para otimizar os processos produtivos, garantindo que as reações químicas envolvidas sejam tão eficientes quanto possível em termos de consumo de energia e recursos.
- Cálculo da entalpia de reações não experimentais : Em muitos casos, não é possível medir diretamente a variação da entalpia de uma reação. A lei de Hess permite que esses valores sejam estimados a partir de reações relacionadas experimentalmente.
Exercícios da lei de Hess
Abaixo mostramos dois exercícios que demonstram como a lei de Hess é usada para calcular mudanças na entalpia de reações químicas com base em informações de reações relacionadas.
Exercício 1: Calcule a mudança na entalpia para a seguinte reação
2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)
Com base nas seguintes informações:
ΔH1: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) tem um valor de -286 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O₂(g) tem um valor de -196 kJ/mol.
Solução
Para calcular a variação na entalpia de uma determinada reação, você pode aplicar a lei de Hess. A reação dada pode ser decomposta em duas etapas:
Etapa 1: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O₂(g) (multiplicando ΔH₂ por 2)
Etapa 2: 2H₂O₂(g) → 2H₂O(g) (multiplicando ΔH₁ por 2)
Então a mudança na entalpia total é a soma de ΔH1 e ΔH₂:
ΔH_total = (2 * ΔH₂) + (2 * ΔH₁) = (2 * -196 kJ/mol) + (2 * -286 kJ/mol) = -392 kJ/mol - 572 kJ/mol = -964 kJ/mol
Portanto, a mudança na entalpia para a reação dada é de -964 kJ.
Exercício 2: Calcule a mudança na entalpia para a seguinte reação
C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
Utilize as seguintes informações:
ΔH₁: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) tem um valor de -393,5 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) tem um valor de -285,8 kJ/mol. ΔH₃: C₃H₈(g) + 5/2O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) tem um valor de -2045 kJ/mol.
Solução
Para calcular a variação na entalpia de uma determinada reação, decomporemos a reação em suas etapas intermediárias usando a lei de Hess:
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C₃H₈(g) → 3C(s) + 4H₂(g)
-
3C(s) + 4H₂(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃
ΔH_total = (-393,5 kJ/mol) + [4 * (-285,8 kJ/mol)] + (-2045 kJ/mol)
ΔH_total = -393,5 kJ/mol - 1143,2 kJ/mol - 2045 kJ/mol
ΔH_total = -3581,7 kJ/mol
Portanto, a mudança na entalpia para a reação dada é -3.581,7 kJ.
Limitações da lei
Embora a lei de Hess seja uma ferramenta poderosa em química e termodinâmica, ela tem algumas limitações importantes.
Uma das principais limitações é que esta lei só se aplica a mudanças na entalpia e não fornece informações sobre outros parâmetros termodinâmicos, como entropia ou energia livre de Gibbs.
Além disso, a lei de Hess assume que as alterações na entalpia são aditivas e não dependem das condições específicas da reação, o que pode não ser completamente preciso em determinadas situações, especialmente em altas pressões ou temperaturas extremamente baixas.
Conclusão
A lei de Hess é um princípio fundamental em química e termodinâmica que permite prever mudanças na entalpia de reações químicas usando informações sobre reações relacionadas.
Esta lei tem sido crucial na formulação de teorias e na previsão de reações químicas nas mais diversas aplicações, desde a determinação da entalpia de formação até a otimização de processos industriais.
Apesar de algumas limitações, a lei de Hess continua a ser uma ferramenta essencial no campo da química e da termodinâmica.
