Llei de Hess: invertir i multiplicar reaccions PAU

Sumar reaccions exigeix sumar també les entalpies

La llei de Hess permet obtenir l’entalpia d’una transformació combinant altres reaccions. La base és que l’entalpia és una funció d’estat: el canvi depèn dels estats inicial i final, amb les condicions especificades, i no del camí intermedi utilitzat per fer la suma.

El problema d’aquesta pràctica és original i empra tres espècies hipotètiques A, B i C amb la mateixa composició elemental. Pensem en tres isòmers en el mateix estat físic, a una temperatura i pressió fixades. No són dades experimentals de substàncies comercials.

La referència acadèmica és el capítol d’OpenStax sobre entalpia. No atribuïm aquests nombres a una taula oficial ni a un examen. L’objectiu és practicar el canvi de signe, l’escala estequiomètrica i la interpretació de la quantitat transformada.

Dades originals i significat de cada valor

Disposem d’aquestes transformacions hipotètiques, escrites per a un mol de cada espècie:

A → B, amb ΔH₁ = +30 kJ.

B → C, amb ΔH₂ = −70 kJ.

Les entalpies es refereixen a les equacions tal com estan escrites. Això vol dir que el primer valor correspon a transformar un mol d’A en un mol de B, i el segon a transformar un mol de B en un mol de C.

Un signe positiu indica un canvi endotèrmic i un signe negatiu, exotèrmic, per a aquestes transformacions. No deduïm a partir d’això la rapidesa de la reacció ni afirmem que sigui espontània: l’entalpia no és l’única magnitud que determina l’espontaneïtat.

Primer exercici: obtenir A cap a C

Volem l’entalpia de la transformació A → C. Sumem les dues equacions originals: A + B → B + C. L’espècie B apareix en la mateixa quantitat als dos costats i es cancel·la.

El resultat és A → C. Sumem també les entalpies: ΔH = +30 + (−70) = −40 kJ. La transformació d’un mol d’A a un mol de C, en les condicions especificades, és exotèrmica segons les dades del supòsit.

La cancel·lació no significa que B no pugui existir com a intermedi en algun procés. Significa que no apareix en la transformació neta que estem calculant. La suma és una eina termodinàmica i no demostra un mecanisme molecular.

Comprova la coherència amb un esquema d’estats: si assignem convencionalment entalpia relativa zero a A, B queda a +30 i C a −40. El pas de B a C és llavors −70, com exigien les dades.

Segon exercici: invertir la transformació

Ara volem C → A. És la reacció inversa de l’anterior. Per tant, ΔH = +40 kJ.

Pots verificar-ho invertint cadascuna de les dades: C → B té ΔH = +70 kJ, i B → A té ΔH = −30 kJ. La suma dona +40 kJ. Invertir una equació obliga a canviar el signe de la seva entalpia.

Un alumne manté −40 kJ perquè diu que les substàncies són les mateixes. El conjunt d’espècies pot ser el mateix, però els estats inicial i final s’han intercanviat. Precisament per això el canvi d’entalpia canvia de signe.

No s’ha de canviar el signe només perquè un nombre sigui negatiu o perquè una reacció sembli més convenient. El signe canvia quan s’inverteix l’equació completa.

Tercer exercici: multiplicar l’equació

Demana ara l’entalpia corresponent a 2C → 2A. Hem multiplicat per dos la reacció C → A. L’entalpia també es multiplica per dos: ΔH = +80 kJ.

No és +40 kJ per al procés complet escrit. Aquest valor correspondria a un mol de C transformat en un mol d’A. L’entalpia és una magnitud extensiva i, en aquest supòsit, escala amb la quantitat transformada.

Si una taula expressés la informació com a entalpia molar de reacció, caldria conservar també la base estequiomètrica que defineix el mol de reacció. Canviar els coeficients sense explicar aquesta base pot produir una resposta numèrica aparentment coherent i una unitat mal interpretada.

Quart exercici: una quantitat inferior a un mol

Es transformen 0,25 mol d’A en C segons la reacció neta A → C. Quin canvi d’entalpia correspon a aquesta quantitat?

La transformació d’un mol té ΔH = −40 kJ. Per 0,25 mol, el canvi és 0,25 × (−40) = −10 kJ. El sistema disminueix la seva entalpia en 10 kJ.

Si el procés té lloc a pressió constant i l’únic treball és el d’expansió, la calor intercanviada pel sistema és qₚ = ΔH = −10 kJ. En aquesta interpretació, el sistema cedeix calor a l’entorn. Les condicions de treball són necessàries per identificar directament calor i entalpia.

La frase «s’alliberen −10 kJ» barreja una magnitud de calor cedida amb un signe de canvi del sistema. És més clar dir que s’alliberen 10 kJ o que el sistema té qₚ = −10 kJ, indicant la convenció.

Què s’ha de cancel·lar i què s’ha de conservar

Només podem cancel·lar una mateixa espècie en el mateix estat i en quantitats iguals a costats oposats. Si canviés l’estat físic, faltaria incorporar la transformació de fase corresponent.

Tampoc es pot cancel·lar energia d’activació com si fos una entalpia de reacció. La barrera cinètica i la diferència entre estats responen a preguntes diferents. El diagrama d’entalpies relatives que hem construït no proporciona les barreres entre els estats.

Abans de sumar, escriu l’equació objectiu. Després marca quines dades has invertit i quines has multiplicat. Aquesta organització evita arribar a una suma correcta per a una reacció diferent de la demanada.

Autocorrecció d’equacions i signes

Verifica primer l’equació neta i només després el valor numèric. A la llibreta d’errors registra si has oblidat el canvi de signe, el factor estequiomètric o la quantitat de substància.

Relaciona aquesta pràctica amb la preparació de Química a les Illes Balears. El càlcul de Hess resol diferències d’entalpia i complementa altres problemes d’equilibri i estequiometria.

Preguntes freqüents

Invertir una reacció canvia el signe de la seva entalpia?

Sí. S’intercanvien els estats inicial i final i el canvi d’entalpia té el mateix mòdul amb signe contrari.

Multiplicar tots els coeficients per dos deixa igual la ΔH?

No. Per al procés escrit amb el doble de quantitat transformada, la ΔH també es multiplica per dos.

Una reacció exotèrmica és necessàriament ràpida?

No. L’entalpia de reacció no determina per si sola la velocitat ni la barrera d’activació del procés.

Continua amb la termoquímica

Refés la suma i comprova l’equació abans de calcular la calor per una quantitat concreta. El curs de Química per a les Illes Balears està disponible per comprar; consulta els continguts i les condicions a la fitxa.