La ley de Hess, también conocida como la ley de suma de calor, es un principio fundamental en la química y la termodinámica que permite predecir cambios en la entalpía de una reacción química a partir de la información de entalpía de reacciones químicas previas.
Esta ley, nombrada en honor al químico ruso-alemán Germain Henri Hess, ha sido un pilar en la comprensión de la energía involucrada en las reacciones químicas y ha desempeñado un papel crucial en la formulación de teorías y en la predicción de reacciones químicas.
Definición: ¿Qué dice la ley de Hess?
La ley de Hess se basa en el principio fundamental de que el cambio en la entalpía de una reacción química es una magnitud extensiva, lo que significa que su valor no depende de la forma en que se llegue a la reacción final, sino solo de los estados iniciales y finales.
En otras palabras, si una reacción química se puede dividir en varias etapas intermedias, el cambio en la entalpía total será igual a la suma de los cambios en entalpía de esas etapas intermedias.
Ejemplo explicativo
Para comprender mejor este concepto, consideremos el siguiente ejemplo.
Supongamos que queremos determinar el cambio en la entalpía de la reacción A → C, pero no tenemos la información directa para esta reacción. Sin embargo, tenemos información sobre las reacciones A → B y B → C, y podemos usar la ley de Hess para calcular el cambio en la entalpía de A → C.
La ley de Hess establece que:
ΔH(A → C) = ΔH(A → B) + ΔH(B → C)
En otras palabras, el cambio en la entalpía de la reacción A → C es igual a la suma de los cambios en entalpía de las reacciones A → B y B → C. Este principio es válido incluso si las reacciones intermedias no son reales y solo se utilizan como una forma de descomponer la reacción deseada en pasos más pequeños.
Fórmula de la ley de Hess
La ley de Hess se expresa mediante la siguiente fórmula:
ΔH_total = ΣΔH_productos - ΣΔH_reactivos
Donde:
-
ΔH_total es el cambio en la entalpía de la reacción química en cuestión.
-
Σ (sigma) indica la suma de los términos.
-
ΔH_productos es la suma de las entalpías de los productos de la reacción.
-
ΔH_reactivos es la suma de las entalpías de los reactivos de la reacción.
Ejemplos de aplicaciones de la ley de Hess
- Cálculo de cambios en la entalpía estándar de formación: La entalpía estándar de formación es la entalpía de una reacción que forma un mol de una sustancia a partir de sus elementos en su estado más estable a 25°C y 1 atmósfera de presión. La ley de Hess se utiliza para calcular estas entalpías estándar de formación, lo que proporciona información crucial sobre la estabilidad de compuestos químicos.
- Predicción de la viabilidad de reacciones químicas: Al conocer los cambios en la entalpía de las reacciones químicas involucradas, es posible determinar si una reacción será exotérmica (libera calor) o endotérmica (absorbe calor). Esto es esencial para prever si una reacción es termodinámicamente favorable o desfavorable.
- Optimización de procesos industriales: En la industria química, la ley de Hess se utiliza para optimizar procesos de producción, asegurando que las reacciones químicas involucradas sean lo más eficientes posible en términos de consumo de energía y recursos.
- Cálculo de la entalpía de reacciones no experimentales: En muchos casos, no es posible medir directamente el cambio en la entalpía de una reacción. La ley de Hess permite estimar estos valores a partir de reacciones relacionadas experimentalmente.
Ejercicios de la ley de Hess
A continuación mostramos dos ejercicios que demuestran cómo se utiliza la ley de Hess para calcular cambios en la entalpía de reacciones químicas a partir de información de reacciones relacionadas.
Ejercicio 1: Calcula el cambio en la entalpía para la siguiente reacción
2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)
A partir de la siguiente información:
ΔH1: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) tiene un valor de -286 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O₂(g) tiene un valor de -196 kJ/mol.
Solución
Para calcular el cambio en la entalpía de la reacción dada, puedes aplicar la ley de Hess. La reacción dada puede descomponerse en dos etapas:
Etapa 1: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O₂(g) (multiplicando ΔH₂ por 2)
Etapa 2: 2H₂O₂(g) → 2H₂O(g) (multiplicando ΔH₁ por 2)
Entonces, el cambio en la entalpía total es la suma de ΔH1 y ΔH₂:
ΔH_total = (2 * ΔH₂) + (2 * ΔH₁) = (2 * -196 kJ/mol) + (2 * -286 kJ/mol) = -392 kJ/mol - 572 kJ/mol = -964 kJ/mol
Por lo tanto, el cambio en la entalpía de la reacción dada es -964 kJ.
Ejercicio 2: Calcula el cambio en la entalpía para la siguiente reacción
C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
Utiliza la siguiente información:
ΔH₁: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) tiene un valor de -393.5 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) tiene un valor de -285.8 kJ/mol. ΔH₃: C₃H₈(g) + 5/2O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) tiene un valor de -2045 kJ/mol.
Solución
Para calcular el cambio en la entalpía de la reacción dada, descompondremos la reacción en sus pasos intermedios utilizando la ley de Hess:
-
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
Por lo tanto, el cambio en la entalpía de la reacción dada es -3581.7 kJ.
Limitaciones de la ley
Aunque la ley de Hess es una herramienta poderosa en química y termodinámica, tiene algunas limitaciones importantes.
Una de las limitaciones clave es que esta ley sólo se aplica a cambios en la entalpía y no proporciona información sobre otros parámetros termodinámicos como la entropía o la energía libre de Gibbs.
Además, la ley de Hess supone que los cambios en la entalpía son aditivos y no dependen de las condiciones específicas de la reacción, lo cual puede no ser completamente preciso en ciertas situaciones, especialmente a altas presiones o temperaturas extremadamente bajas.
Conclusión
La ley de Hess es un principio fundamental en la química y la termodinámica que permite predecir cambios en la entalpía de reacciones químicas utilizando información sobre reacciones relacionadas.
Esta ley ha sido crucial en la formulación de teorías y en la predicción de reacciones químicas en una amplia variedad de aplicaciones, desde la determinación de la entalpía de formación hasta la optimización de procesos industriales.
A pesar de algunas limitaciones, la ley de Hess sigue siendo una herramienta esencial en el campo de la química y la termodinámica.
