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 эффектыDН2 иDН3, а тепловой эффектDН1, 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.
ЗначенияDН0f,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:
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).
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 эффектDН0 х.р имеет отрицательное значение:
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.
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: