Следствия из закона Гесса

Закон Гесса

Петербургский ученый Г.И.Гесс, изучавший тепловые эффекты разнообразных реакций, в 1840 г. сформулировал закон, ставший основным законом термохимии:

Если из данных веществ можно разными способами получить заданные продукты, то тепловой эффект во всех случаях будет одним и тем же.

Иными словами:

Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути, по которому она протекает, а определяется только приро-дой и состоянием исходных веществ и продуктов реакции.

Закон Гесса можно использовать для расчета теплового эффекта реакции в тех случаях, когда измерить его с помощью калориметра невозможно.

Предположим, что нужно определить тепловой эффект реакции образования ацетилена из углерода и водорода:

2 С_(к) + Н_2(г) = С₂Н_2(г) ; DН_(х) = ?

путь 1

2 С_(к) + Н_2(г) +О₂,DН₁ 2СО₂ + Н₂О

путь 2 DН_(х) +О₂ DН₂

С₂Н_2(г)

Исходными веществами являются углерод и водород, а продуктами реакции – диоксид углерода и вода. 1-ый путь – сгорание смеси углерода и водорода, тепловой эффект – DН₁. 2-ой путь - углерод и водород реагируют с образованием ацетилена (DН_х), который затем сгорает с образованием диоксида углерода и воды (DН₂). По закону Гесса :

DН₁ = DН_х + DН₂

В таблице имеются теплоты сгорания углерода и водорода :

С_(к) + О_{2 (г)} = СО_{2 (г)} : DН = - 394 кДж/моль

Н_{2 (г)} + 1/2 О_{2 (г)} = Н₂О_(ж) : DН = - 286 кДж/моль

Тогда DН₁ = – 394×2 + (–286) = – 1074 кДж

Теплота сгорания ацетилена также есть в таблице :

С₂Н_{2 (г)} + 5/2 О₂ = 2СО₂ + Н₂О : DН₂ = - 1300 кДж/моль

Тогда DН_х = DН₁ – DН₂ = - 1074 – (-1300) = 226 кДж/моль

Для термохимических расчетов чаще используют следствия из закона Гесса, которые позволяют определить тепловые эффекты многочисленных химических реакций, не прибегая к измерениям.

1 следствие:

Тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях равен сумме стандартных теплот образования продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты, минус теплоты образования исходных веществ, умноженные на стехиометрические коэффициенты.

Теплотой образованияDН_f (индекс f от английского "formation"- "образование") данного сложного вещества называется тепловой эффект реакции образования 1 моль этого вещества из простых веществ. Например:

С + О₂ = СО₂ : DН_f (СО₂)

С + 1/2 О₂ = СО : DН_f (СО)

Н₂ + 1/2 О₂ = Н₂О : DН_f (Н₂О)

Теплоты образования простых веществ равны нулю.

В таблицах приводятся теплоты образования многочисленных сложных веществ, приведенные к стандартным условиям (298 К, 1атм.) и называемые стандартными теплотами образования DН⁰_f. Приведем пример расчета, основанного на первом следствии из закона Гесса.

Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции каталитического окисления аммиака:

4 NH_3(г) + 5 О_2(г) = 4 NO_(г) + 6 Н₂О_(г) при стандартных условиях.

Исходя из первого следствия:

DН^о = 4 DН^о_f,NO(г) + 6 DН^о_f,Н₂О - 4 DН^о_f,NH₃

Находим по таблице значения стандартных теплот образования, принимая во внимание, что DН⁰_f,О₂= 0.

Н⁰ = 4×90,37 + 6×(-241,84) - 4×(-46,19) = - 904,8 кДж/моль

Рассматриваемая реакция является экзотермической.

2 следствие:

Тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях равен сумме стандартных теплот сгорания исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты, минус теплоты сгорания продуктов реакции, умноженные на стехиометрические коэффициенты.

Теплотой сгорания DН_сгор. называется тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества с образованием СО₂, Н₂О, N₂. Например:

С₂Н₅ОН + 3 О₂ = 2 СО₂ + 3 Н₂О : DН _сгор.С₂Н₅ОН

В таблицах приводят стандартные теплоты сгорания DН⁰_сгор.

Вторым следствием пользуются для расчета тепловых эффектов реакций, в которых участвуют органические вещества, т.к. для этих веществ проще определить теплоты сгорания, чем теплоты образования.

Пример 2. Рассчитать стандартный тепловой эффект реакции гидрирования ацетилена:

С₂Н₂ + 2 Н₂ = С₂Н₆

Пользуясь вторым следствием из закона Гесса, имеем :

DН^о = DН^о_сгор(С₂Н₂) + 2 DН^о_сгор(Н₂) – DН^о_сгор.(С₂Н₆)

По таблице находим необходимые теплоты. Тогда

DН⁰ = - 1299,6 + 2×(-241,8) - (-1559,9) = - 223,3 кДж/моль

Таким образом, располагая табличными данными и пользуясь одним из следствий из закона Гесса, можно рассчитать тепловой эффект любой реакции при 298 К.