загрузка...
 
6.3. Закон Гесса
Повернутись до змісту

6.3. Закон Гесса

Тепловые эффекты химических реакций рассчитывают по закону Гесса:

тепловой эффект химической реакции зависит только от природы и состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от ее пути.

Если представить (рис. 6.8), что от реагентов А1, А2…(состояние I) можно несколькими путями перейти к продуктам реакции В1, В2… (состояние II) через разные промежуточные стадии, каждая из которых имеет собственный тепловой эффект ?H1, ?H2, ... ?Hi, то в соответствии с законом Гесса  тепловой эффект ?H1 прямого перехода из начального состояния (А1, А2…) в конечное (В1, В2...) связан с тепловыми эффектами других переходов равенством

?H1 = ?H2 + ?H3 + ?H4 + ?H5 = + ?H6 + ?H7.

 

Рисунок 6.8 – Иллюстрация к закону Гесса

Закон Гесса используют для вычисления тепловых эффектов реакций, которые невозможно определить экспериментально.

Например, перейти от графита (С) и О2 к оксиду углерода (ІV) СО2 можно двумя способами (рис. 6.9): через промежуточную стадию образования СО с последующим его доокислением согласно термохимическим уравнениям

С(графит) + ? О2(г) = СО(г), DН1,

СО(г) + ? О2(г) = СО2(г), DН2 = –283,1кДж,

Рисунок 6.9 – Тепловые эффекты реакций получения СО2 двумя способами

или при непосредственном взаимодействии простых веществ:

С(графит) + О2(г) = СО2(г), DН3 = –393,6кДж.

В соответствии с законом Гесса тепловой эффект образования СО2 из простых веществ равен суммарному тепловому эффекту образования СО2 через промежуточную стадию:

DН3 = DН1 + DН2.

В рассмотренной схеме экспериментально определяют тепловые эффекты DН2 и DН3, а тепловой эффект DН1, который очень сложно измерить практически, можно рассчитать так:

DН1 = DН3 – DН2 = –393,6 – (–283,1) = –110,5 кДж.

Из закона Гесса вытекает несколько важных следствий.

Первое следствие:

тепловой эффект обратной реакции равен тепловому эффекту прямой реакции, взятому с противоположным знаком:

DНпр = –DНобратн.

Таким образом, закон Гесса показывает, что независимо от пути протекания реакции, ее тепловой эффект будет одинаковым, если при этом не изменяется конечное и исходное состояние системы.

Второе следствие из закона Гесса:

энтальпия химической реакции равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов, стоящих в термохимическом уравнении перед формулами веществ:

DНх.р = ?DНf,прод. – ?DНf,исх.вещ-в.

В этом уравнении буквой ? (симгма) обозначается сумма энтальпий образования веществ.

Рассмотрим реакцию общего вида, в которой символами B, D, L, M обозначены формулы веществ, а буквами b, d, l, m – коэффициенты перед ними:

bВ + dD = lL + mM.

Для такой реакции тепловой эффект рассчитывается на основании второго следствия из закона Гесса:

DН0х.р = lDН0f,L + mDН0f,M – bDН0f,B – dDН0f,D.

Значения DН0f,298 приведены в термохимических справочниках и в табл. 6.1.

Энтальпия образования простых веществ, устойчивых при 298К и 105 Па, принята равной нулю: DН0f (простых веществ) = 0.

Пример 6.6. Вычислите тепловой эффект реакции между оксидом серы (ІV) и сероводородом по данным энтальпий образования веществ (кДж/моль): DН0f (SO2)= –296,9; DН0f (H2S)= –20,15; DН0f (H2O)(ж)= –285,84. Относится ли эта реакция к экзотермическим?

Решение. Для заданной реакции

SO2( г) + 2H2S (г) = 3S(т) + 2H2O(ж)

тепловой эффект рассчитывается по следствию из закона Гесса:

DН0298 = 3DН0f (S) + 2DН0f (H2O) – DН0f (SO2) – 2DН0f (H2S) =

=3 ? 0 + 2 (–285,84) – (–296,9) – 2(-20,15) = –234,4 кДж.

Поскольку в результате реакции энтальпия уменьшается (DН0298 < 0), значит, происходит выделение теплоты, поэтому реакция экзотермическая.

Пример 6.7. Тепловой эффект реакции горения 1 моль жидкого бензола с образованием углекислого газа и водяного пара равен –3135,58 кДж. Напишите термохимическое уравнение и вычислите энтальпию образования С6Н6(ж).

Решение. Термохимическое уравнение имеет вид

С6Н6(ж) + 7,5О2(г) = 6СО2(г) + 3Н2О(г), DН0298 = –3135,58 кДж.

Согласно закону Гесса тепловой эффект этой реакции рассчитывается по уравнению

DН0298 = 6DН0f (СО2) + 3DН0f (Н2О(г)) – DН0f (С6Н6(ж)) – 7,5DН0f (О2),

откуда путем простых алгебраических преобразований выводим уравнение для расчета энтальпии образования жидкого бензола:

DН0f (С6Н6(ж)) = 6DН0f (СО2) + 3DН0f (Н2О(г)) – 7,5DН0f (О2) – DН0298.

Пользуясь справочными данными (табл.VII.1) относительно энтальпий образования соответствующих веществ, получим

DН0f(С6Н6(ж)) = 6(–393,51) + 3(–241,83) – 7,5·0 – (–3135,58) = +49,03 кДж/моль.

Пример 6.8. Рассчитайте энтальпию конденсации водяного пара. Выделяется ли при этом теплота?

Решение. Термохимическое уравнение конденсации водяного пара имеет вид

Н2О(г) = Н2О(ж),                 DН0298 –?

Воспользуемся вторым следствием из закона Гесса и справочными данными (табл.VII.1):

DН0298 = DН0f(Н2О(ж)) – DН0f(Н2О(г)) = –241,8 – (–285,8) = +44 кДж.

В результате кондесации водяного пара энтальпия увеличивается (DН0298>0). Это значит, что система поглощает теплоту, поэтому процесс конденсации является эндотермическим.

Запомните:

значение энтальпий образования следует использовать с тем знаком, который приведен в таблице;

энтальпии образования простых веществ равны нулю;

нельзя проводить расчеты, если в уравнении реакции не поставлены коэффициенты.

Контрольные вопросы

Сформулируйте закон Гесса.

Сформулируйте первое следствие закона Гесса.

Сформулируйте второе следствие закона Гесса.

Задания для самостоятельной работы

Выберите утверждение, характеризующее тепловой эффект реакции:

            а) зависит от промежуточных стадий; б) зависит от агрегатного состояние веществ; в) не зависит от начального и конечного состояний системы; г) зависит от начального и конечного состояний системы.

Укажите тип реакций, для которой тепловой эффект DН0 х.р имеет отрицательное значение:

            а) эндотермическая; б) экзотермическая; в) обратимая; г) теплотехническая.

Укажите тип реакций, для которой тепловой эффект имеет DН0 х.р положительное значение:

            а) эндотермическая; б) экзотермическая; в) обратимая; г) теплотехническая.

Как изменяется энтальпия в результате эндотермических реакций:

            а) DH = const; б) DH = 0; в) DH > 0; г) DH < 0?

Для каких веществ энтальпия образования при стандартных условиях равна нулю:

а) для простых; б) для сложных; в) для газообразных; г) для жидких?

Для каких веществ значение стандартной энтальпии образования равно нулю:

            а) NaOH(кр); б) P(красный); в) FeS(т); г) Br2(ж)?

Для каких веществ значение стандартной энтальпии образования не равно нулю?

            а) СО2(г); б) Br2(г); в) NH3(г);  г) С2Н6(г)?

В результате какого процесса энтальпия системы увеличивается:

            а) замерзание воды; б) конденсация водяного пара;

            в) кристаллизация расплава; г) кипение воды?

Какой будет теплота при конденсации водяного пара массой 36 г в соответствии с термохимическим уравнением: Н2О(г) ? Н2О(ж), DН0298 + 44 кДж:

            а) выделится 88кДж теплоты; б) выделится 44кДж теплоты;

            в) поглотится 88кДж теплоты; г) поглотится 44кДж теплоты?

Укажите эндотермические процессы.

            а) плавление; б) кристаллизация; в) испарение; г) переход из кристаллической модификации в аморфную.

Укажите экзотермические процессы, для которых DН > 0:

            а) конденсация;                     б) переход из аморфной модификации в кристаллическую;

            в) сублимация;                      г) парообразование.

Укажите экзотермические процессы, для которых DН < 0:

            а) конденсация; б) плавление; в) кристаллизация; г) переход из аморфной модификаци в кристаллическую.

По какой разности можно рассчитать тепловой эффект реакции (DН0х.р) горения 1 моль этана С2Н6, термохимическое уравнение которой имеет вид:

С2Н6(г) + 7/2О2(г)  2СО2(г) +3Н2О(г), DН0х.р –?

            a) (DН0f,CO2 + DH0f,H2O) – (DH0f,C2H6 + DH0f,O2);

            б) (DН0f,C2Н6 + DH0f,О2) – (DH0f,CО2 + DH0f,Н2О);

            в) (2DН0f,CO2 + 3DH0f,H2O) – DH0f,C2H6;

            г) (DН0f,C2Н6 + 7/2DH0f,О2) – (2DH0f,CО2 + 3DH0f,Н2О).

Какой вид имеет термохимическое уравнение реакции горения 1 моль этилового спирта, при которой выделяется 1366,87 кДж теплоты:

            а) С2Н5ОН + 3О2  2СО2 + 3Н2О;

            б) С2Н5ОН(ж) + 3О2(г)  2СО2(г) + 3Н2О(ж), DН0 = –1366,87кДж;

            в) С2Н5ОН(ж) + 3О2(г) 2СО2(г) + 3Н2О(ж), DН0 = +1366,87кДж;

            г) С2Н5ОН + 3О2  2СО2(г) + 3Н2О + 1366,87 кДж?

Как рассчитать энтальпию образования NO(г) на основании термохимического уравнения реакции 4NH3(г) + 5O2(г)  4NO(г) + 6H2O(ж); DН0298 = –904,74кДж, если известны энтальпии образования всех других веществ и тепловой эффект реакции? Выберите правильную форму записи.

            а) DН0f,NO = DН0298 – DН0f,NH3 – DН0f,O2;

            б) DН0f,NO = DН0298 – 4DН0f,NH3 – 6DН0f,H2О – 5DН0f,O2;

            в) DН0f,NO = ? DН0298 – DН0f,NH3–1,5DН0f,H2О–5,4 DН0f,O2;

            г) DН0f,NO = DН0298 – 6/4DН0f,H2О – DН0f,NH3 – 5/4DН0f,O2.

Известно, что с термохимическими уравнениями можно выполнять те же алгебраические операции, что и с математическими. Учитывая это, определите энтальпию образования метана СН4(г) на основании следующих термохимических уравнений:

СН4(г) + 2О2(г)  2Н2О(ж) + СО2(г), DНI; Н2(г) + ? О2(г)  Н2О(ж), DНII;

С(к)+ О2(г)  СО2(г), DНIII.

            a) DНf,CH4 = 2DНII + DНIII – DНI; б) DНf,CH4 = DНI + DНII + DНIII;

            в) DНf,CH4 = DНII + DНI – 2DНIII; г) DНf,CH4 = DНI + 2DНII – DНIII.

Рассчитайте энтальпии химических реакций:

1) 2H2(г) + CO(г) = CH3OH(г);                               6) 2NO2(г) = 2NO(г) + O2(г);

2) 4HCl(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 2Cl2(г);                  7) Mg(OH)2(т) = MgO(Т) + H2O(г);

3) NH4Cl(Т) = HCl(г) + NH3(г);                               8) CaCO3(т) = CaO(Т) + CO2(г);

4) 2N2(г) + 6H2O(г) = 4NH3(г) + 3O2(г);               9) N2O4(г) = 2NO2(г);

5) 4NO(г) + 6H2O(г) = 4NH3(г) + 5O2(г);              10) Ca(OH)2(т) = CaO(т) + H2O(ж).

Энтальпии образования веществ найдите в таблице 6.1:

Таблица 6.1 – Энтальпии образования веществ

Вещество

?fHo298,

кДж/моль

Вещество

?fHo298,

кДж/моль

Вещество

?fHo298,

кДж/моль

Cl2

0

Са(ОН)2(т)

–985,12

NH3(г)

–45,94

O2

0

HCl(г)

–92,31

NH4Cl(т)

–314,22

S2(г)

128,37

H2O(т)

–291,85

NO(г)

91,26

СО(г)

–110,53

H2O(ж)

–285,83

NO2(г)

34,19

СО2(г)

–393,51

H2O(г)

–241,81

N2O4(г)

11,11

СаСО3(т)

–1206,83

MgO(т)

–601,49

SO2(г)

–296,90

СаО(т)

–635,09

Mg(OH)2(т)

–924,66

CH3OH(г)

–201,00



загрузка...