"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Закон Гесса позволяет находить тепловой эффект реакции, даже если его трудно измерить напрямую. Он утверждает: изменение энтальпии зависит только от начального и конечного состояния веществ, но не от промежуточного пути. Поэтому реакцию можно мысленно разбить на стадии, обращать и складывать термохимические уравнения. На основе закона рассчитывают энтальпии реакций по стадиям, стандартным энтальпиям образования и энтальпиям сгорания.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
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.
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.
| Способ | Исходные данные | Расчёт | На что обратить внимание |
|---|---|---|---|
| По стадиям реакции | Термохимические уравнения отдельных стадий | Сложить уравнения и их ΔH | При обращении менять знак, при умножении менять величину ΔH |
| По стандартным энтальпиям образования | ΔH°обр всех реагентов и продуктов | ΣνΔH°обр(продуктов) − ΣνΔH°обр(реагентов) | Учитывать коэффициенты и агрегатные состояния |
| По энтальпиям сгорания | Энтальпии сгорания реагентов и продуктов | Сопоставить суммарные уравнения сгорания | Правильно определить направление разности и знак ΔH |
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.
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.
Ответ: ΔH = −15 кДж.
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.
Ответ: ΔH° реакции равна −572 кДж, то есть при образовании двух молей жидкой воды теплота выделяется.
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.
Ответ: ΔH реакции находят алгебраической суммой энтальпий сгорания после такого преобразования; численное значение зависит от данных условия.
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.
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.
Почему тепловой эффект не зависит от того, через какие промежуточные стадии идёт реакция?
Энтальпия является функцией состояния системы. Поэтому её изменение определяется только состояниями исходных веществ и продуктов, а не количеством и характером промежуточных стадий.
Что происходит со знаком ΔH, если термохимическое уравнение записать в обратном направлении?
Знак ΔH меняется на противоположный. Если прямая реакция сопровождается выделением 40 кДж и имеет ΔH = −40 кДж, обратная потребует 40 кДж: ΔH = +40 кДж.
Нужно ли умножать ΔH, если уравнение реакции умножили на коэффициент?
Да, ΔH умножают на тот же коэффициент. Уравнение описывает другое количество вещества, поэтому и тепловой эффект изменяется пропорционально.
Почему при расчёте по энтальпиям образования вычитают сумму для реагентов из суммы для продуктов?
Каждое вещество можно представить образованным из простых веществ, а затем сравнить энергетические затраты и выделение теплоты. Поэтому изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий образования продуктов минус сумма энтальпий образования реагентов.
Можно ли использовать энтальпию образования вещества в другом агрегатном состоянии?
Нет, если состояние не совпадает с указанным в реакции. Энтальпии образования жидкой, твёрдой и газообразной форм одного вещества различаются.
§ 37. Закон Гос