Следствия из закона Гесса

 

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

1-е 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:

Δ Н ⁰ = Σ n_i • Δ Н ⁰_обр.– Σ n_i • Δ Н ⁰_обр,                          (3.5)

                                                                            Продуктов                Исходных веществ

где n_i - число молей каждого из веществ, соответствующее стехиометрическим коэффициентам;

Δ Н _обр - теплота образования данного сложного вещества – это тепловой эффект реакции образования 1 моль сложного вещества из простых веществ.

Например: С_(к) + О_2(г) = СО_2(г); Δ Н _обр СО₂;

 

Н_2(г) + ½О_2(г) = Н₂О_(г); Δ Н _обр Н₂О_(г).

 

Теплота образования простых веществ равна нулю.

В таблицах приводятся теплоты образования сложных веществ, приведенные к стандартным условиям (Т = 298 К, р = 1 атм) и называемые стандартными теплотами образования (Δ Н ⁰_обр).

Стандартная теплота образования Δ Н ⁰_обр – это изменение энтальпии в реакции образования 1 моля сложного вещества при температуре 298 К и давлении 101,3 кПа из простых веществ, устойчивых при данных условиях. Δ Н ⁰_обр выражается в кДж/моль.

Пример. Рассчитать тепловой эффект реакции каталитического окисления аммиака: 4NH_3(г) + 5О_2(г) = 4NO_(г) + 6Н₂О_(г) при стандартных условиях.

Решение. на основании 1 следствия закона Гесса можно записать:

 

Δ Н ⁰ = 4 • Δ Н ⁰_обрNO_(г) + 6• Δ Н ⁰_обрН₂О_(г) – 4 Δ Н ⁰_обрNH_3(г).

 

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

 

Δ Н ⁰ = 4 моль • 90,37 кДж/моль + 6 моль • (– 241,84 кДж/моль) -

- 4 моль(– 46,19 кДж/моль) = – 904,8 кДж.

 

Δ Н ⁰ < 0, рассматриваемая реакция является экзотермической.

2-е следствие. Тепловой эффект химической реакции при стандартных условиях равен сумме стандартных теплот сгорания исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты, минус сумма стандартных теплот сгорания продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты:

 

Δ Н ⁰ = Σ n_i • Δ Н ⁰_сгор.– Σ n_i • Δ Н ⁰_сгор.

                                                                                Исходных веществ   Продуктов

 

Теплотой сгорания ΔН_сгор называется тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества. Например,

 

С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О; Δ Н _сгор С₂Н₅ОН.

 

В таблице приводятся стандартные теплоты сгорания Δ Н ⁰_сгор.

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

Например: рассчитать стандартный тепловой эффект реакции гидрирования ацетилена С₂Н₂ + 2Н₂ = С₂Н₆.

Решение. Пользуясь вторым следствием закона Гесса, получаем

 

Δ Н ⁰ = Δ Н ⁰_сгор.С₂Н₂ + 2 Δ Н ⁰_сгорН₂ – Δ Н ⁰_сгор С₂Н₆.

 

По таблице находим необходимые теплоты сгорания, и тогда

 

Δ Н ⁰ = 1 моль • (–1299,6 кДж/моль) + 2 моль • (–248,8 кДж/моль) –

– 1 моль • (–1559,9 кДж/моль) = – 223,3 кДж.

 

3-е следствие. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции:

 

Δ Н _прямой = - Δ Н _{обратной}.

 

Таким образом, с помощью следствий из закона Гесса можно рассчитать тепловые эффекты реакций, как протекающих самопроизвольно, так и вообще реально неосуществимых (несамопроизвольные процессы).

Процессы, которые не требуют затрат энергии извне и в результате которых может быть совершена работа против внешних сил, называют самопроизвольными. Примеры самопроизвольных процессов - стекание воды по склону, переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, коррозия металлов.

Процессы, которые для их осуществления требуют затраты энергии извне, называют несамопроизвольными. Примерами таких процессов могут служить подъем тела, разложение воды на водород и кислород (электролиз воды).

При изучении химических взаимодействий очень важно оценить возможность или невозможность их самопроизвольного протекания при заданных условиях. Первый закон термодинамики не определяет направление процесса: самопроизвольно могут протекать как экзотермические, так и эндотермические процессы.