La loi de Hess, également connue sous le nom de loi de sommation de la chaleur, est un principe fondamental en chimie et en thermodynamique qui permet de prédire les modifications de l'enthalpie d'une réaction chimique sur la base des informations sur l'enthalpie des réactions chimiques précédentes.
Cette loi, du nom du chimiste russo-allemand Germain Henri Hess, constitue un pilier dans la compréhension de l'énergie impliquée dans les réactions chimiques et a joué un rôle crucial dans la formulation de théories et la prédiction des réactions chimiques.
Définition : Que dit la loi de Hess ?
La loi de Hess repose sur le principe fondamental selon lequel la variation de l'enthalpie d'une réaction chimique est d'une grandeur extensive, ce qui signifie que sa valeur ne dépend pas de la manière dont la réaction finale est atteinte, mais uniquement des états initial et final. .
En d’autres termes, si une réaction chimique peut être divisée en plusieurs étapes intermédiaires, la variation de l’enthalpie totale sera égale à la somme des modifications de l’enthalpie de ces étapes intermédiaires.
Exemple explicatif
Pour mieux comprendre ce concept, considérons l'exemple suivant.
Supposons que nous voulions déterminer la variation d’enthalpie de la réaction A → C, mais que nous ne disposions pas d’informations directes pour cette réaction. Cependant, nous disposons d'informations sur les réactions A → B et B → C, et nous pouvons utiliser la loi de Hess pour calculer la variation d'enthalpie de A → C.
La loi de Hess stipule que :
ΔH(UNE → C) = ΔH(UNE → B) + ΔH(B → C)
Autrement dit, la variation d'enthalpie de la réaction A → C est égale à la somme des variations d'enthalpie des réactions A → B et B → C. Ce principe est valable même si les réactions intermédiaires ne sont pas réelles et seulement elles sont utilisés pour décomposer la réaction souhaitée en étapes plus petites.
Formule de la loi de Hess
La loi de Hess s'exprime par la formule suivante :
ΔH_total = ΣΔH_produits - ΣΔH_réactifs
Où:
-
ΔH_total est la variation de l'enthalpie de la réaction chimique en question.
-
Σ (sigma) indique la somme des termes.
-
ΔH_products est la somme des enthalpies des produits de réaction.
-
ΔH_reagents est la somme des enthalpies des réactifs de la réaction.
Exemples d'applications de la loi de Hess
- Calcul des modifications de l'enthalpie standard de formation : L'enthalpie standard de formation est l'enthalpie d'une réaction qui forme une mole d'une substance à partir de ses éléments dans son état le plus stable à 25°C et 1 atmosphère de pression. La loi de Hess est utilisée pour calculer ces enthalpies de formation standard, qui fournissent des informations cruciales sur la stabilité des composés chimiques.
- Prédire la faisabilité des réactions chimiques : En connaissant l'évolution de l'enthalpie des réactions chimiques impliquées, il est possible de déterminer si une réaction sera exothermique (libère de la chaleur) ou endothermique (absorbe de la chaleur). Ceci est essentiel pour prédire si une réaction est thermodynamiquement favorable ou défavorable.
- Optimisation des processus industriels : Dans l'industrie chimique, la loi de Hess est utilisée pour optimiser les processus de production, garantissant que les réactions chimiques impliquées sont les plus efficaces possibles en termes de consommation d'énergie et de ressources.
- Calcul de l'enthalpie de réactions non expérimentales : Dans de nombreux cas, il n'est pas possible de mesurer directement la variation d'enthalpie d'une réaction. La loi de Hess permet d'estimer ces valeurs à partir de réactions expérimentalement liées.
Exercices sur la loi de Hess
Ci-dessous, nous montrons deux exercices qui démontrent comment la loi de Hess est utilisée pour calculer les modifications de l'enthalpie des réactions chimiques sur la base des informations provenant des réactions associées.
Exercice 1 : Calculer la variation d'enthalpie pour la réaction suivante
2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)
Sur la base des informations suivantes :
ΔH1 : H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) a une valeur de -286 kJ/mol. ΔH₂ : H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O₂(g) a une valeur de -196 kJ/mol.
Solution
Pour calculer la variation d'enthalpie d'une réaction donnée, vous pouvez appliquer la loi de Hess. La réaction donnée peut être décomposée en deux étapes :
Étape 1 : 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O₂(g) (en multipliant ΔH₂ par 2)
Étape 2 : 2H₂O₂(g) → 2H₂O(g) (en multipliant ΔH₁ par 2)
Alors la variation de l’enthalpie totale est la somme de ΔH1 et ΔH₂ :
ΔH_total = (2 * ΔH₂) + (2 * ΔH₁) = (2 * -196 kJ/mol) + (2 * -286 kJ/mol) = -392 kJ/mol - 572 kJ/mol = -964 kJ/mol
Par conséquent, la variation d’enthalpie pour la réaction donnée est de -964 kJ.
Exercice 2 : Calculer la variation d'enthalpie pour la réaction suivante
C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
Utilisez les informations suivantes :
ΔH₁ : C(s) + O₂(g) → CO₂(g) a une valeur de -393,5 kJ/mol. ΔH₂ : H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) a une valeur de -285,8 kJ/mol. ΔH₃ : C₃H₈(g) + 5/2O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) a une valeur de -2045 kJ/mol.
Solution
Pour calculer la variation d'enthalpie d'une réaction donnée, nous allons décomposer la réaction en ses étapes intermédiaires en utilisant la loi 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
Par conséquent, la variation d’enthalpie pour la réaction donnée est de -3 581,7 kJ.
Limites de la loi
Bien que la loi de Hess soit un outil puissant en chimie et en thermodynamique, elle présente certaines limites importantes.
L'une des principales limites est que cette loi s'applique uniquement aux changements d'enthalpie et ne fournit pas d'informations sur d'autres paramètres thermodynamiques tels que l'entropie ou l'énergie libre de Gibbs.
De plus, la loi de Hess suppose que les changements d'enthalpie sont additifs et ne dépendent pas des conditions spécifiques de la réaction, qui peuvent ne pas être tout à fait exactes dans certaines situations, notamment à des pressions élevées ou à des températures extrêmement basses.
Conclusion
La loi de Hess est un principe fondamental en chimie et en thermodynamique qui permet de prédire les changements d'enthalpie des réactions chimiques à l'aide d'informations sur les réactions associées.
Cette loi a joué un rôle crucial dans la formulation de théories et dans la prédiction de réactions chimiques dans une grande variété d'applications, depuis la détermination de l'enthalpie de formation jusqu'à l'optimisation des processus industriels.
Malgré quelques limites, la loi de Hess reste un outil essentiel dans le domaine de la chimie et de la thermodynamique.