Все формулы РФ

Химия / Тепловой эффект реакции, закон Гесса

Закон Гесса для расчета теплового эффекта

Закон Гесса позволяет находить тепловой эффект реакции как сумму энтальпий промежуточных стадий, если начальные и конечные вещества совпадают.

Опубликовано: Обновлено:

Тепловой эффект реакции, закон ГессаЕсть историческая справкаСтраницы с задачами и решениямиБазовые химические расчеты

Формула

$$\Delta H = \sum \Delta H_{\text{steps}}$$
схема Термохимический цикл по закону Гесса

Схема показывает прямой переход от реагентов к продуктам и обходной путь через промежуточные реакции, энтальпии которых складываются.

Сумма тепловых эффектов по обходному пути равна ΔH целевой реакции.

Обозначения

$ΔH$
энтальпия или тепловой эффект целевой реакции при заданных условиях, кДж или кДж/моль
$ΔHsteps$
энтальпия отдельной стадии, входящей в термохимический цикл, кДж или кДж/моль

Условия применения

  • Все реакции должны быть записаны для одинаковых агрегатных состояний веществ.
  • Тепловые эффекты относятся к одним и тем же температуре и давлению, обычно к стандартным условиям.
  • Если уравнение реакции умножают на коэффициент, энтальпию умножают на тот же коэффициент.
  • Если реакцию записывают в обратном направлении, знак ΔH меняют на противоположный.

Ограничения

  • Закон не показывает путь реакции и не позволяет судить о скорости процесса.
  • Ошибка возрастает, если смешивать данные для разных температур, фаз или кристаллических модификаций.
  • Для растворов важно учитывать концентрации и тепловые эффекты растворения, если они входят в цикл.

Подробное объяснение

Энтальпия является функцией состояния, поэтому изменение энтальпии зависит только от начального и конечного набора веществ. Закон Гесса использует это свойство: если целевую реакцию можно получить как сумму нескольких реакций, то ее тепловой эффект равен сумме тепловых эффектов этих стадий. Промежуточные вещества сокращаются так же, как одинаковые члены в алгебраическом выражении.

Практический расчет начинается не с чисел, а с подбора термохимического цикла. Нужно посмотреть, в каких уравнениях встречаются вещества целевой реакции, и расположить эти уравнения так, чтобы реагенты оказались слева, продукты справа. Если вещество стоит не на той стороне, уравнение разворачивают. Если коэффициент отличается, уравнение умножают на нужное число.

После преобразования реакций обязательно проверяют материальный баланс. В целевом уравнении должны остаться только заданные реагенты и продукты с правильными коэффициентами. Все промежуточные вещества, например CO2 в примере с образованием CO, должны сократиться. Только после такой проверки складывают значения ΔH.

Знак энтальпии несет физический смысл. Отрицательное ΔH означает, что система передает энергию окружающей среде при постоянном давлении. Положительное ΔH означает поглощение энергии. Закон Гесса сам по себе не требует знания механизма реакции, поэтому особенно полезен для реакций, которые трудно изолировать в лаборатории.

В школьных и вузовских задачах закон Гесса часто связывает теплоты образования, теплоты сгорания и энтальпии переходов между фазами. Для аккуратного результата нужно сохранять единицы и фазовые обозначения. Разница между водой в жидком и газообразном состоянии может изменить ответ на десятки килоджоулей на моль.

Как пользоваться формулой

  1. Запишите целевое химическое уравнение с фазами веществ.
  2. Подберите табличные реакции, в которых встречаются нужные вещества.
  3. Разверните или умножьте уравнения так, чтобы после сложения получилась цель.
  4. Сложите преобразованные значения ΔH с учетом знаков и коэффициентов.
  5. Проверьте итоговое уравнение и укажите знак теплового эффекта.

Историческая справка

Закон Гесса сформировался в термохимии XIX века, когда химики учились связывать тепловые измерения с химическими уравнениями. Герман Иванович Гесс в 1840 году обобщил наблюдение, что суммарный тепловой эффект реакции не зависит от пути, если начальное и конечное состояния одинаковы. Такое утверждение стало ранней формой идеи о функции состояния задолго до современного языка термодинамики. Позднее закон естественно вошел в первый закон термодинамики и стал стандартным инструментом расчета энтальпий. Развитие калориметрии, таблиц теплот образования и справочников физико-химических величин сделало метод удобным для учебных, лабораторных и инженерных задач. В современной химии закон Гесса используют не как отдельное эмпирическое правило, а как следствие сохранения энергии и свойства энтальпии.

Историческая линия формулы

Формулировку закона связывают с Германом Ивановичем Гессом. Вклад Гесса состоял не в открытии одной конкретной реакции, а в обобщении термохимических измерений: тепловой эффект можно складывать по стадиям. Современная запись через ΔH использует более поздний термодинамический язык.

Пример

Нужно найти тепловой эффект реакции C(графит) + 1/2 O2(г) = CO(г). Известно: C(графит) + O2(г) = CO2(г), ΔH1 = -393,5 кДж; CO(г) + 1/2 O2(г) = CO2(г), ΔH2 = -283,0 кДж. Вторую реакцию разворачиваем: CO2(г) = CO(г) + 1/2 O2(г), поэтому ΔH2 становится +283,0 кДж. Складываем уравнения, CO2 сокращается, остается C + 1/2 O2 = CO. Сумма энтальпий равна -393,5 + 283,0 = -110,5 кДж. Ответ: ΔH = -110,5 кДж на 1 моль CO, реакция экзотермическая. Знак важен: если требуется теплота, выделившаяся в окружающую среду, ее часто называют 110,5 кДж, а энтальпию реакции записывают со знаком минус.

Частая ошибка

Частая ошибка состоит в сложении чисел без преобразования самих химических уравнений. Нельзя просто брать все доступные ΔH, если после сложения не получается нужная реакция. Еще одна ошибка связана с обратным уравнением: при развороте знак энтальпии обязательно меняется. Также забывают умножать ΔH вместе со стехиометрическими коэффициентами и смешивают данные для H2O(ж) и H2O(г), что дает заметно разные результаты.

Практика

Задачи с решением

Образование диоксида азота

Условие. Дано: N2 + O2 = 2NO, ΔH = +180,6 кДж; 2NO + O2 = 2NO2, ΔH = -114,1 кДж. Найдите ΔH для N2 + 2O2 = 2NO2.

Решение. Складываем две реакции без разворота. Вещество 2NO сокращается как промежуточное. ΔH = 180,6 - 114,1 = +66,5 кДж.

Ответ. +66,5 кДж на реакцию как она записана.

Разложение карбоната кальция

Условие. Известно: CaO(т) + CO2(г) = CaCO3(т), ΔH = -178,3 кДж. Найдите ΔH для CaCO3(т) = CaO(т) + CO2(г).

Решение. Целевая реакция является обратной к данной, поэтому знак энтальпии меняется. ΔH = +178,3 кДж.

Ответ. +178,3 кДж, процесс эндотермический.

Дополнительные источники

  • IUPAC Gold Book: terminology for chemistry and physical chemistry
  • OpenStax Chemistry 2e: thermochemistry, solutions, stoichiometry and gases
  • Atkins and de Paula: Physical Chemistry, selected chapters

Связанные формулы

Химия

Энтальпия реакции по теплотам образования

$\Delta H^\circ_{rxn}=\sum \nu \Delta H_f^\circ(products)-\sum \nu \Delta H_f^\circ(reactants)$

Стандартную энтальпию реакции находят как сумму теплот образования продуктов минус сумму теплот образования реагентов с учетом коэффициентов.

Химия

Энтальпия реакции по энергиям связей

$\Delta H \approx \sum E_{broken}-\sum E_{formed}$

Оценка по энергиям связей сравнивает энергию, затраченную на разрыв старых связей, с энергией, выделенной при образовании новых.