Закон Гесса – один из основных законов термодинамики, который позволяет определить изменение энергии в химической реакции. Согласно этому закону, энергия реакции определяется только исходными и конечными состояниями системы, а не путем прослеживания пути, по которому происходит реакция. Это является следствием того, что внутренняя энергия вещества является функцией только состояния системы, а не ее истории.
Формула закона Гесса позволяет определить изменение энтальпии (теплового эффекта) реакции. В общем виде формула закона Гесса записывается следующим образом:
ΔH = ΣΔH(P) — ΣΔH(R), где ΔH — изменение энтальпии реакции, ΣΔH(P) — сумма стандартных энтальпий продуктов, ΣΔH(R) — сумма стандартных энтальпий реагентов.
Это математическое уравнение позволяет рассчитать изменение энтальпии, полученное или выделившееся в результате химической реакции. Закон Гесса неразрывно связан с понятием стандартной энтальпии, которая определяется при указанных стандартных условиях.
Основные понятия
Для расчета изменения энергии (ΔH) в химической реакции с помощью закона Гесса используется следствие из этого закона. Оно заключается в том, что изменение энергии можно рассчитать как сумму энергий изменения отдельных стадий реакции, называемых промежуточными состояниями.
Однако, чтобы использовать следствие из закона Гесса для расчета изменения энергии, необходимо знать энергии образования исходных веществ и конечных продуктов.
Для наглядности и удобства, изменение энергии и стадии реакции можно представить в виде энергетической диаграммы.
Рассмотрим пример расчета изменения энергии с использованием следствия из закона Гесса:
- Реакция: А + В → С; ΔH1 = -50 кДж/моль
- Реакция: А → В; ΔH2 = -30 кДж/моль
- Реакция: В → С; ΔH3 = -20 кДж/моль
Чтобы рассчитать изменение энергии для реакции А + В → С, мы можем сложить энергии изменения отдельных стадий реакции:
- ΔH1 (стадия 1) + ΔH2 (стадия 2) + ΔH3 (стадия 3) = -50 кДж/моль — 30 кДж/моль — 20 кДж/моль = -100 кДж/моль
Таким образом, изменение энергии для реакции А + В → С равно -100 кДж/моль.
Закон Гесса
Суть закона Гесса заключается в том, что изменение энтальпии реакции зависит только от стартовых и конечных состояний системы, и не зависит от способа прохождения промежуточных состояний. Другими словами, энтальпия реакции не зависит от пути реакции, а зависит только от начального и конечного состояний реагентов и продуктов.
Формула, выражающая закон Гесса, имеет вид:
ΔH = ΣnΔHf(продукты) — ΣmΔHf(реагенты),
где ΔH — изменение энтальпии реакции, ΔHf — стандартная образовательная энтальпия вещества, n и m — коэффициенты стехиометрического уравнения реакции.
Применение закона Гесса позволяет упростить расчет энергетических характеристик реакции, таких как энтальпия, энергия связи и тепловое эффекты.
Теплореакция
Для определения теплореакции используется закон Гесса и формула рассчета. Закон Гесса утверждает, что теплореакция не зависит от пути, по которому происходит химическая реакция, а зависит только от начальных и конечных состояний системы. Формула расчета теплореакции выглядит следующим образом:
| Теплореакция (ΔH) | = | ∑ (ΔH продуктов) — ∑ (ΔH реагентов) |
|---|
где ΔH продуктов и ΔH реагентов — изменение энтальпии продуктов и реагентов соответственно. Положительное значение ΔH указывает на поглощение теплоты системой, а отрицательное значение — на ее выделение.
Например, рассмотрим реакцию горения метана:
| CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O | |
| Реагенты | Продукты |
| ΔHреагентов = -75 кДж/моль | ΔHпродуктов = -802 кДж/моль |
ΔH = (-802 кДж/моль) — (-75 кДж/моль) = -727 кДж/моль
Таким образом, теплореакция горения метана составляет -727 кДж/моль, что указывает на выделение теплоты системой во время реакции.
Формула закона Гесса
Закон Гесса, также известный как закон неразрушимости энергии, устанавливает, что изменение энергии в ходе химической реакции не зависит от пути, по которому эта реакция происходит. Другими словами, изменение энергии реакции (ΔH) равно разности энергии продуктов и энергии реагентов.
Формула закона Гесса записывается следующим образом:
ΔH = ΣnΔHf(продукты) — ΣnΔHf(реагенты)
где ΔH — изменение энергии реакции, ΣnΔHf — сумма произведений коэффициентов стехиометрического уравнения реакции на изменение энтальпии образования соответствующих веществ.
Этот закон позволяет рассчитать изменение энергии в реакции, исходя из энтальпий образования реагентов и продуктов. Он является фундаментальным в химической термодинамике и широко используется для расчетов энергетических характеристик реакций.
Постановка формулы
Формула, полученная в результате следствия из закона Гесса, позволяет определить изменение энтальпии (ΔH) при химической реакции на основе энтальпийных изменений реактантов и продуктов:
ΔH = ΣnΔHпродуктов — ΣmΔHреагентов
где ΔH — изменение энтальпии, ΣnΔHпродуктов — сумма энтальпий продуктов, ΣmΔHреагентов — сумма энтальпий реагентов (коэффициенты перед формулами веществ (n и m) учитывают их стехиометрические соотношения).
Эта формула основана на законе сохранения энергии, известном как закон Гесса, который утверждает, что изменение энергии системы не зависит от пути, по которому происходит химическая реакция.
Применение этой формулы позволяет определить изменение энтальпии и, соответственно, тепловой эффект химической реакции, что особенно важно при проведении экзотермических или эндотермических процессов.
Применение формулы
Применение формулы закона Гесса осуществляется следующим образом:
- Вначале необходимо выразить заданную реакцию как комбинацию простых реакций, для которых известны энергии реакций;
- Далее, следует использовать закон Гесса и суммировать энергии реакций простых компонентов, учитывая их коэффициенты с учетом стехиометрического уравнения;
- После суммирования полученных величин, получается искомая энергия реакции или изменение энтальпии.
Рассмотрим пример применения формулы закона Гесса. Пусть задана реакция сгорания 2 моль метана СН4:
СН4 + 2 О2 → СО2 + 2 Н2О
Чтобы рассчитать энергию этой реакции, нам необходимо выразить данную реакцию как комбинацию простых реакций, для которых известны энергии реакций. Например, можно использовать следующие реакции:
- СН4 + 2 О2 → СО2 + 2 Н2О (–802 кДж);
- C + O2 → CO2 (–393 кДж);
- 2 H2 + O2 → 2 Н2О (–572 кДж).
Далее, мы используем закон Гесса и суммируем энергии реакций простых компонентов с учетом их коэффициентов с учетом стехиометрического уравнения. В итоге получаем энергию реакции горения метана:
Энергия реакции горения метана = -802 кДж + (-393 кДж) + 2*(-572 кДж) = -802 кДж — 786 кДж = -1588 кДж.
Таким образом, энергия реакции горения метана составляет -1588 кДж.
Примеры расчетов
Рассмотрим несколько примеров расчетов с использованием закона Гесса.
Пример 1:
Реакция между серой и кислородом приводит к образованию диоксида серы:
S(s) + O2(g) → SO2(g)
Предположим, что нам нужно рассчитать стандартную энтальпию образования диоксида серы при 25°C, зная стандартные энтальпии образования серы (S) и кислорода (O2) равны 0 кДж/моль и -394 кДж/моль соответственно.
| Вещество | Стандартная энтальпия образования (кДж/моль) | Коэффициент |
|---|---|---|
| S(s) | 0 | 1 |
| O2(g) | -394 | 1 |
| SO2(g) | ? | 1 |
Используя закон Гесса, мы можем рассчитать стандартную энтальпию образования диоксида серы:
Стандартная энтальпия образования SO2(g) = Стандартная энтальпия образования S(s) + Стандартная энтальпия образования O2(g)
Стандартная энтальпия образования SO2(g) = 0 кДж/моль + (-394 кДж/моль) = -394 кДж/моль
Пример 2:
Рассмотрим реакцию горения метана (CH4):
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
Предположим, что нам нужно рассчитать стандартную энтальпию реакции горения метана при 25°C, зная стандартные энтальпии образования CH4(g), CO2(g) и H2O(l) равны -74,8 кДж/моль, -393,5 кДж/моль и -285,8 кДж/моль соответственно.
| Вещество | Стандартная энтальпия образования (кДж/моль) | Коэффициент |
|---|---|---|
| CH4(g) | -74,8 | 1 |
| O2(g) | 0 | 2 |
| CO2(g) | -393,5 | 1 |
| H2O(l) | -285,8 | 2 |
Используя закон Гесса, мы можем рассчитать стандартную энтальпию реакции горения метана:
Стандартная энтальпия реакции = Стандартная энтальпия образования CO2(g) + Стандартная энтальпия образования H2O(l) — Стандартная энтальпия образования CH4(g) — 2 * Стандартная энтальпия образования O2(g)
Стандартная энтальпия реакции = -393,5 кДж/моль + (2 * -285,8 кДж/моль) — (-74,8 кДж/моль) — (2 * 0 кДж/моль)
Стандартная энтальпия реакции = -802,4 кДж/моль
Таким образом, закон Гесса позволяет нам рассчитать стандартные энтальпии различных химических реакций, используя известные значения стандартных энтальпий образования веществ.
Вопрос-ответ:
Что такое закон Гесса?
Закон Гесса — это закон термохимии, который утверждает, что изменение энтальпии реакции не зависит от того, каким образом происходит реакция, а зависит только от начальных и конечных состояний системы.
Какая формула закона Гесса?
Формула закона Гесса имеет вид: ΔH(обобщ) = ΣΔH(образцы), где ΔH(обобщ) — изменение энтальпии системы, ΣΔH(образцы) — сумма энтальпий образцов, участвующих в реакции.
Можно привести пример применения закона Гесса?
Да, например, рассмотрим реакцию горения метана: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Зная значения энтальпий образцов, можно по формуле закона Гесса рассчитать изменение энтальпии этой реакции.
Как использовать закон Гесса для расчета энтальпии реакции?
Чтобы использовать закон Гесса для расчета энтальпии реакции, необходимо знать энтальпии образцов, участвующих в реакции, и соответствующие им коэффициенты стехиометрического уравнения. По формуле закона Гесса можно сложить или вычесть энтальпии образцов с учетом их коэффициентов, чтобы получить изменение энтальпии реакции.
Какое значение имеет изменение энтальпии в законе Гесса?
Изменение энтальпии, рассчитанное по закону Гесса, позволяет определить, сколько энергии поглощается или выделяется во время реакции. Оно может быть положительным (эндотермическая реакция) или отрицательным (экзотермическая реакция), в зависимости от направления процесса.
Каким образом закон Гесса связан с энтальпией?
Закон Гесса утверждает, что изменение энтальпии в химической реакции зависит только от начальных и конечных состояний реагирующих веществ, независимо от пути реакции. Таким образом, закон Гесса позволяет вычислять изменение энтальпии путем сложения или вычитания энтальпий реакций, которые происходят при тех же начальных и конечных состояниях.
Как можно использовать закон Гесса для расчета энтальпий реакций?
Для расчета энтальпий реакций с использованием закона Гесса необходимо знать энтальпии образования реагирующих веществ и выпускаемых продуктов реакции. Затем нужно составить энергетическую схему, включающую все промежуточные реакции, и сложить или вычесть их энтальпии в зависимости от того, какие вещества являются реагентами и продуктами.