Закон постоянной суммы теплот Гесса

Закон постоянного сложения теплот Гесса, широко известный как закон Гесса, является важным принципом в химии, особенно в области термохимии. Он касается тепла, участвующего в химических реакциях, и позволяет химикам определять изменения энтальпии реакций, даже если их нельзя измерить напрямую. Закон назван в честь русского химика Германа Гесса, который сформулировал его в 1840 году.

Понимание закона Гесса

Для начала понимания закона Гесса важно знать, что в химии химическая реакция часто включает разрыв и образование связей, что приводит к изменению энергии. Это изменение энергии часто измеряется как изменение тепла или энтальпии, обозначаемое как ΔH. Закон Гесса утверждает, что общее изменение энтальпии химической реакции одинаково независимо от того, как она проводится — напрямую в один шаг или косвенно в несколько шагов.

Закон Гесса можно выразить следующим образом:

ΔH_total = ΔH_1 + ΔH_2 + ... + ΔH_n

Здесь ΔH_total — общее изменение энтальпии для реакции, а ΔH_1, ΔH_2, ..., ΔH_n — изменения энтальпии на каждом этапе пути реакции.

Термодинамика и энтальпия

Термодинамика — это раздел физики, который изучает тепло и температуру и ихотношение к энергии и работе. В контексте химических реакций энтальпия (H) является мерой общей энергии термодинамической системы, включая внутреннюю энергию и энергию, необходимую для перемещения окружения, чтобы освободить место для системы. Изменение энтальпии (ΔH) — это то, что нас в основном интересует, поскольку оно указывает на поглощенное или выделенное тепло в условиях постоянного давления.

Значение закона Гесса

Закон Гесса важен по нескольким причинам:

• Предсказание изменения энтальпии: Это позволяет нам предсказать общее изменение энтальпии для химической реакции, даже если трудно измерить его напрямую.
• Независимость от пути: Этот закон утверждает, что изменение энтальпии для реакции не зависит от пути и зависит только от начального и конечного состояния.
• Термохимические расчеты: Он значительно помогает в термохимических расчетах, где прямое измерение непрактично.

Визуальный пример закона Гесса

Давайте рассмотрим пример образования воды (H₂O) из водорода (H₂) и кислорода (O₂).

Шаг 1: H₂(г) → 2H(г) ΔH₁
Шаг 2: O₂(г) → 2O(г) ΔH₂
Шаг 3: 2H(г) + O(г) → H₂O(г) ΔH₃

Общая реакция: H₂(г) + 1/2 O₂(г) → H₂O(г) ΔH_total
    

Общее изменение энтальпии для образования воды можно рассчитать, сложив изменения энтальпии этих шагов:

ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃

Текстовый пример использования закона Гесса

Предположим, мы хотим определить изменение энтальпии при сжигании графита для образования углекислого газа:

Шаг 1 (известно): C(графит) + O₂(г) → CO₂(г) ΔH₁ = -393.5 кДж/моль
Шаг 2 (гипотетический): CO₂(г) → C(графит) + O₂(г) ΔH₂ = +393.5 кДж/моль
Общая реакция: C(графит) + O₂(г) → CO₂(г) ΔH_total
    

Используя закон Гесса, изменение энтальпии прямой реакции будет таким же, как и в шаге 1, но использование гипотетического обратного шага показывает, как применяется закон Гесса:

ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂
ΔH_total = -393.5 + 393.5 = 0 (для воображаемого обратного)
ΔH_total = -393.5 кДж/моль (для фактической реакции, шаг 1)
    

Это показывает, как закон Гесса обеспечивает согласованность измерений изменения энтальпии, независимо от маршрута.

Применение закона Гесса в химии

Закон Гесса находит применение в различных областях химии:

• Определение энтальпии образования: Это помогает в расчете энтальпии образования соединений, используя данные, полученные из известных реакций.
• Понимание путей реакции: Он используется для анализа путей реакции и промежуточных шагов в сложных реакциях.
• Проектирование химических процессов: Промышленные химики используют его для проектирования энергоэффективных процессов.

Заключение

Закон постоянной суммы теплот Гесса является фундаментальным принципом термохимии, который лежит в основе закона сохранения энергии. Показывая, что изменение энтальпии независимо от пути, выбранного реакцией, он позволяет химикам систематически и предсказуемо рассчитывать теплоту реакции. Этот закон не является просто теоретической конструкцией; это широко используемый инструмент в исследованиях и промышленности для решения практических задач, связанных с преобразованием химической энергии.

Понимая этот закон, студенты и химики могут оценить красоту и полезность концепций термодинамики в предсказании и измерении изменения энергии, связанных с химическими реакциями.

Комментарии