§ 37. Закон Гос

Определения и обозначения

Закон Гесса утверждает, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ, а не от пути превращения. Это позволяет заменять труднодоступную реакцию несколькими известными стадиями. В результате её тепловой эффект находят расчётом.

Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект или изменение энтальпии. Например, состояние обозначают как (г), (ж), (т) или (р-р). Такая запись нужна, потому что теплота зависит не только от состава, но и от физического состояния вещества.

Энтальпия реакции — изменение энтальпии системы при протекании реакции; её обозначают ΔH. При ΔH < 0 теплота выделяется, а при ΔH > 0 поглощается. Нулевое значение означало бы отсутствие теплового эффекта в принятом описании процесса.

Стандартная энтальпия образования — изменение энтальпии при образовании одного моля вещества из простых веществ в стандартных состояниях. Её обозначают ΔH°обр и используют для расчёта энтальпий реакций по справочным данным. Для простого вещества в стандартном состоянии эта величина принимается равной нулю.

Как это устроено

Тепловой эффект не зависит от пути, потому что энтальпия является функцией состояния. Её значение определяется текущим состоянием системы: составом, количеством веществ и их состояниями. Поэтому разность энтальпий между реагентами и продуктами будет одинаковой для прямого процесса и для любого набора промежуточных превращений.

Если суммарное уравнение получают сложением нескольких стадий, складывают и изменения энтальпии этих стадий. Промежуточные вещества должны сократиться, как одинаковые слагаемые в математическом выражении. Тогда остаются только исходные вещества и конечные продукты, а ΔH общей реакции равно сумме ΔH₁ + ΔH₂ + …

Термохимическое уравнение можно преобразовывать так же, как обычное химическое, но с одновременным изменением ΔH. При обращении реакции исходные вещества и продукты меняются местами, поэтому знак энтальпии меняется. При умножении всех коэффициентов на число во столько же раз умножают и ΔH, ведь теперь описывается другое количество вещества.

По стандартным энтальпиям образования используют формулу: ΔH°реакции = ΣνΔH°обр(продуктов) − ΣνΔH°обр(реагентов). Коэффициент ν показывает, сколько молей каждого вещества участвует в уравнении. Сначала находят две суммы, затем из суммы для продуктов вычитают сумму для реагентов.

Энтальпию реакции можно найти и по энтальпиям сгорания. Для этого сравнивают полное сгорание исходных веществ и продуктов до одних и тех же конечных веществ, обычно CO₂ и H₂O. Если мысленно сжечь реагенты и продукты, то разность соответствующих суммарных тепловых эффектов даст ΔH целевой реакции; знак определяется выбранным направлением преобразований.

Способы расчёта изменения энтальпии реакции

Сначала выберите способ по имеющимся данным. Затем приведите уравнения к нужным коэффициентам и состояниям веществ. В конце проверьте, что после сложения получилась именно целевая реакция.

Разбор задач

Задача 1

Для реакции A → C даны стадии A → B, ΔH₁ = −40 кДж, и B → C, ΔH₂ = 25 кДж. Нужно найти изменение энтальпии общей реакции. Промежуточное вещество B при сложении должно сократиться.

1. Складываем уравнения: A → B и B → C дают A → C.
2. Складываем тепловые эффекты с их знаками: ΔH = −40 + 25 = −15 кДж.
3. Отрицательный знак показывает, что при реакции A → C теплота выделяется.

Ответ: ΔH = −15 кДж.

Задача 2

Рассмотрим образование воды: 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж). Пусть ΔH°обр(H₂O(ж)) = −286 кДж/моль, а для H₂(г) и O₂(г) значения равны нулю. Нужно учесть коэффициент 2 перед водой.

1. Для продуктов получаем 2 · (−286) = −572 кДж.
2. Для реагентов сумма равна 2 · 0 + 1 · 0 = 0 кДж.
3. Используем формулу: ΔH° = −572 − 0 = −572 кДж.

Ответ: ΔH° реакции равна −572 кДж, то есть при образовании двух молей жидкой воды теплота выделяется.

Задача 3

Нужно найти ΔH реакции C₂H₄(г) + H₂(г) → C₂H₆(г), если известны энтальпии сгорания всех трёх веществ. При полном сгорании этилена и этана образуются одинаковые продукты — CO₂ и H₂O. Это позволяет сократить продукты сгорания после преобразования уравнений.

1. Записываем сгорание C₂H₄ и H₂, а уравнение сгорания C₂H₆ обращаем.
2. Подбираем коэффициенты так, чтобы при сложении CO₂ и H₂O сократились, а слева остались C₂H₄ и H₂, справа — C₂H₆.
3. Складываем соответствующие ΔH с учётом обращения: для перевёрнутого уравнения знак меняется.

Ответ: ΔH реакции находят алгебраической суммой энтальпий сгорания после такого преобразования; численное значение зависит от данных условия.

Типичные ошибки

При обращении термохимического уравнения иногда оставляют ΔH прежним. Ошибка возникает из-за того, что меняют только вещества, забывая о направлении теплового обмена. Проверьте себя: прямая и обратная реакции должны иметь противоположные знаки.

При умножении уравнения на коэффициент иногда не умножают ΔH. Причина — восприятие энтальпии как свойства вещества, хотя она относится ко всему записанному количеству. Сверьте коэффициенты: если количество вещества изменилось в n раз, ΔH тоже должно измениться в n раз.

В расчёте по энтальпиям образования можно вычесть сумму продуктов из суммы реагентов. Так нарушается установленная формула: сначала считают продукты, затем вычитают реагенты. Проверка проста: используйте ΔH° = Σпродуктов − Σреагентов.

Ещё одна ошибка — игнорирование агрегатного состояния. Энтальпия образования зависит от того, является ли вещество газом, жидкостью или твёрдым телом. Сверьте состояние в условии и в справочной таблице: жидкую воду нельзя заменить газообразной.

Связь с другими темами

Для закона Гесса нужно знать, что такое энтальпия и как записывают термохимические уравнения с агрегатными состояниями. Также необходимо уметь складывать химические уравнения, обращать их и сохранять баланс атомов. Закон применяется при расчёте тепловых эффектов реакций, которые трудно измерить непосредственно, и при решении задач по термохимии.

Что запомнить

• Тепловой эффект реакции определяется её начальным и конечным состояниями.
• Для суммарной реакции изменения энтальпии стадий складываются.
• При обращении реакции знак ΔH меняется.
• При умножении уравнения на число на это число умножают и ΔH.
• При расчёте по энтальпиям образования используют сумму для продуктов минус сумму для реагентов.
• В расчётах учитывают коэффициенты и агрегатные состояния веществ.