La Legge di Hess è una delle fondamenta della termochimica e si basa sul principio di conservazione dell'energia. Questa legge afferma che l'entalpia totale di una reazione chimica è la stessa, indipendentemente dal numero di passaggi attraverso cui avviene la reazione. In altre parole, il calore scambiato in una reazione chimica è costante e non dipende dal percorso seguito, ma solo dallo stato iniziale e finale dei reagenti e dei prodotti. Questa caratteristica rende la Legge di Hess uno strumento potente per calcolare l'entalpia di reazioni chimiche che non possono essere misurate direttamente.

La Legge di Hess si basa su due principi fondamentali della termodinamica: il primo principio, che stabilisce che l'energia non può essere né creata né distrutta, e il secondo principio, che afferma che le reazioni chimiche tendono a spostarsi verso stati di energia più bassa. Di conseguenza, se una reazione chimica può essere espressa come la somma di altre reazioni, l'entalpia della reazione complessiva sarà semplicemente la somma delle entalpie delle reazioni parziali. Questo approccio è utile perché permette di calcolare l'entalpia di reazioni complesse anche quando non è possibile effettuare misurazioni dirette.

Per comprendere meglio la Legge di Hess, è utile considerare un esempio pratico. Immaginiamo di voler determinare l'entalpia di una reazione di combustione del metano (\(CH_4\)). La reazione di combustione completa del metano è la seguente:

\[ CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l) \]

Supponiamo di non avere la possibilità di misurare direttamente l'entalpia di questa reazione. Tuttavia, possiamo utilizzare la Legge di Hess se conosciamo le entalpie di formazione standard dei composti coinvolti. L'entalpia di formazione standard (\( \Delta H_f^\circ \)) è l'energia necessaria per formare un mole di un composto a partire dai suoi elementi in condizioni standard.

Sappiamo che:

1. L'entalpia di formazione del metano è: \( \Delta H_f^\circ (CH_4) = -74.8 \, kJ/mol \)
2. L'entalpia di formazione dell'anidride carbonica è: \( \Delta H_f^\circ (CO_2) = -393.5 \, kJ/mol \)
3. L'entalpia di formazione dell'acqua (liquida) è: \( \Delta H_f^\circ (H_2O) = -285.8 \, kJ/mol \)

Utilizzando la Legge di Hess, calcoliamo l'entalpia della reazione di combustione del metano. L'entalpia totale della reazione può essere calcolata con la formula:

\[ \Delta H_{rxn} = \sum \Delta H_f^\circ \, (prodotti) - \sum \Delta H_f^\circ \, (reagenti) \]

Applicando i dati precedenti:

\[ \Delta H_{rxn} = [\Delta H_f^\circ (CO_2) + 2 \cdot \Delta H_f^\circ (H_2O)] - [\Delta H_f^\circ (CH_4) + 2 \cdot \Delta H_f^\circ (O_2)] \]

Poiché l'entalpia di formazione dell'ossigeno in forma gassosa è zero (\( \Delta H_f^\circ (O_2) = 0 \)), possiamo semplificare l'equazione:

\[ \Delta H_{rxn} = [-393.5 + 2 \cdot (-285.8)] - [-74.8 + 0] \]

Calcoliamo i termini:

\[ \Delta H_{rxn} = [-393.5 - 571.6] + 74.8 \]

\[ \Delta H_{rxn} = -965.1 + 74.8 \]

\[ \Delta H_{rxn} = -890.3 \, kJ/mol \]

Quindi l'entalpia di combustione del metano è di circa \(-890.3 \, kJ/mol\). Questo metodo illustra come la Legge di Hess possa essere utilizzata per calcolare l'entalpia di reazioni chimiche complesse, sfruttando le entalpie di formazione dei singoli composti.

La Legge di Hess trova applicazione in vari ambiti della chimica, dalla chimica analitica alla chimica dei materiali. Viene frequentemente utilizzata per calcolare le entalpie di reazione in situazioni in cui le misurazioni dirette non sono praticabili. Inoltre, è uno strumento fondamentale nella progettazione di processi chimici, in quanto consente di prevedere l'energia coinvolta in reazioni chimiche su larga scala.

Un altro esempio di applicazione della Legge di Hess è la determinazione dell'entalpia di reazione per la formazione di ammoniaca (\(NH_3\)) dal suo elemento costituente, l'azoto (\(N_2\)) e l'idrogeno (\(H_2\)). La reazione può essere scritta come segue:

\[ N_2(g) + \frac{3}{2} H_2(g) \rightarrow NH_3(g) \]

Possiamo calcolare l'entalpia di questa reazione utilizzando le entalpie di formazione standard:

1. \( \Delta H_f^\circ (N_2) = 0 \)
2. \( \Delta H_f^\circ (H_2) = 0 \)
3. \( \Delta H_f^\circ (NH_3) = -45.9 \, kJ/mol \)

Applicando la Legge di Hess:

\[ \Delta H_{rxn} = [\Delta H_f^\circ (NH_3)] - [\Delta H_f^\circ (N_2) + \frac{3}{2} \cdot \Delta H_f^\circ (H_2)] \]

\[ \Delta H_{rxn} = [-45.9] - [0 + 0] \]

\[ \Delta H_{rxn} = -45.9 \, kJ/mol \]

Così, l'entalpia di formazione dell'ammoniaca è di \(-45.9 \, kJ/mol\).

La Legge di Hess è stata sviluppata e formalizzata da Germain Hess, un chimico svizzero, nel XIX secolo. Hess ha contribuito significativamente alla comprensione della termochimica, e il suo lavoro ha aperto la strada a molti sviluppi successivi. La sua teoria si basa su osservazioni pratiche e sperimentali riguardanti le reazioni chimiche e il calore. La Legge di Hess è ora un principio ben consolidato e accettato nella chimica moderna, utilizzato da chimici di tutto il mondo per dedurre informazioni vitali sulle reazioni chimiche.

L'importanza della Legge di Hess è anche evidente nel suo utilizzo nei calcoli di energia in biochimica, chimica industriale e persino nella geochimica. La sua applicazione si estende oltre la chimica di laboratorio, influenzando anche le pratiche ingegneristiche e ambientali. La sua capacità di facilitare il calcolo di entalpie in reazioni complesse rende la Legge di Hess un argomento cruciale nello studio della chimica e delle scienze correlate.