Legea lui Hess
Legea lui Hess este legea de bază a termochimiei , care este formulată după cum urmează:
- Efectul termic al unei reacții chimice efectuate în condiții izobar-izoterme sau izocoric-izoterme depinde numai de tipul și starea materiilor prime și a produselor de reacție și nu depinde de calea de apariție a acesteia .
Cu alte cuvinte, cantitatea de căldură eliberată sau absorbită în orice proces (la p, T = const sau V, T = const) este întotdeauna aceeași, indiferent dacă această transformare chimică are loc în una sau mai multe etape (cu condiția ca temperatura , presiunea și stările agregate ale substanțelor sunt aceleași). De exemplu, oxidarea glucozei în organism se realizează conform unui mecanism în mai multe etape foarte complex, dar efectul termic total al tuturor etapelor acestui proces este egal cu căldura de ardere a glucozei. Cu alte cuvinte, legea lui Hess este o afirmație conform căreia efectul de căldură al unei reacții (Q p = ΔH p,T sau Q V =ΔU V,T ) este o funcție de stare. Efectul termic al unei reacții (care este definit doar pentru procesele izobar-izoterme sau izocoric-izoterme) nu trebuie confundat cu căldura (Q) eliberată sau absorbită în timpul unui proces sau reacții. În general, căldura nu este o funcție de stare și nu este descrisă de legea Hess.
Figura prezintă o reprezentare schematică a unui proces chimic generalizat de transformare a substanțelor inițiale A 1 , A 2 ... în produși de reacție B 1 , B 2 ..., care poate fi realizat în diferite moduri în unul, două sau trei etape, fiecare fiind însoțită de un efect termic ΔH i . Conform legii lui Hess, efectele termice ale tuturor acestor reacții sunt legate de următoarea relație:
Legea a fost descoperită de chimistul rus G. I. Hess în 1841; este un caz special al primei legi a termodinamicii aplicată reacțiilor chimice. Semnificația practică a legii lui Hess este că ea permite calcularea efectelor termice ale unei mari varietăți de procese chimice; pentru aceasta se folosesc de obicei o serie de corolare din acesta.
Consecințele legii lui Hess
- Efectul termic al reacției directe este egal ca mărime și semn opus efectului termic al reacției inverse ( legea Lavoisier-Laplace ).
- Efectul termic al unei reacții chimice este egal cu diferența dintre sumele căldurilor de formare (ΔH f ) ale produselor de reacție și ale materiilor prime, înmulțite cu coeficienții stoichiometrici (ν):
- Efectul termic al unei reacții chimice este egal cu diferența dintre sumele căldurilor de ardere (ΔH c ) ale materiilor prime și ale produselor de reacție, înmulțite cu coeficienții stoichiometrici (ν):
Astfel, folosind valorile tabelare ale căldurilor de formare sau ardere a substanțelor, este posibil să se calculeze căldura de reacție fără a recurge la experiment. Valorile tabelare ale căldurilor de formare și ardere a substanțelor se referă de obicei la așa-numitele. conditii standard . Pentru a calcula căldura unui proces care are loc în alte condiții, este necesar să se utilizeze alte legi ale termochimiei, de exemplu, legea lui Kirchhoff , care descrie dependența efectului termic al unei reacții de temperatură.
- Dacă stările inițiale și finale ale unei reacții chimice coincid, atunci efectul lor termic este zero.
Exemple de aplicații
Exemplul 1
Întrebare:
- Găsiți energia rețelei cristaline de clorură de potasiu.
Dat:
- AHf , 298 (KCI) = -435,56 kJ/mol
- Atomizare ΔH 298 (K (s)) = 128,74 kJ/mol
- Ionizare AH 298 (K (g)) = 418 kJ/mol
- Disocierea ΔH 298 (Cl 2 (g)) = 238,26 kJ/mol
Afinitatea electronică a clorului = -363,66 kJ/mol
Prin definiție, fiecare dintre aceste cantități este exact aceeași cu modificările entalpiilor reacțiilor de formare a substanțelor (care sunt numite pe scurt „entalpii de substanțe” sau „entalpii de formare a substanțelor” în jargonul profesional chimic) și la fel ca și modificările în entalpiile reacțiilor de ardere a substanțelor (în jargonul profesional „entalpiile de ardere”) – în același mod, aceste efecte termice caracterizează fiecare reacție specifică. Pentru început, scriem aceste reacții atribuite denumirilor efectelor termice (pentru comoditate, reacțiile vor fi numerotate mai jos):
ΔH f, 298 (KCl) caracterizează reacția (nr. 1) de formare a KCl din substanțe simple care sunt stabile la p, T dat:
- K (s) + 0,5Cl 2 (g) → KCl (s)
Atomizarea ΔH 298 (K(s)) caracterizează reacția (Nr. 2):
- K(s) → K(g)
Ionizarea ΔH 298 (K (g)) caracterizează reacția (nr. 3):
- K (g) → K + + e - (g)
Disocierea ΔH 298 (Cl 2 (g)) caracterizează reacția (nr. 4):
- Cl 2 (g) → 2Cl (g)
Afinitatea electronică a clorului caracterizează reacția (nr. 5):
- Cl (g) + e - (g) → Cl - (g)
Sarcina este de a adăuga ecuația de reacție dată din aceste ecuații de reacție - energia rețelei cristaline KCl caracterizează reacția (nr. 6):
- K + + Cl – (g) → KCl (s)
Pentru a face acest lucru, luați reacțiile în următoarea combinație: Nr. 6 \u003d Nr. 1 + (-0,5) Nr. 4 + (-1) Nr. 5 + (-1) Nr. 2 + (-1) Nu 3 \u003d Nr. 1 - 0,5 #4 - #5 - #2 - #3. La adăugarea ecuațiilor de reacție se adaugă și efectele termice (cu aceiași coeficienți cu care s-au înmulțit reacțiile). Adică , ΔH6 = ΔH1-0,5ΔH4 - ΔH5 - ΔH2 - ΔH3 _
- K (s) + 0,5Cl 2 (g) → KCl (s)
- (K (s) → K (g))⋅(–1) = (K (g) → K (s))
- K + + e – (g) →K (g)
- Cl - (g) → Cl (g) + e - (g)
- CI (g) → 0,5Cl2 ( g)
Suma acestor reacții:
- K (s) + Cl 2 (g) + K (g) + K + + e - (g) + Cl - (g) + Cl (g) → 0,5Cl 2 (g) + Cl (g) + e – (g) + K (g) + K (s) + KCl (s)
După reducere obținem:
- K + + Cl – (g) → KCl (s)
După cum este necesar, înseamnă că însumarea reacțiilor a fost efectuată corect și efectul termic total rezultat caracterizează exact reacția dorită.
Exemplul 2
Dat:
- B 2 O 3 (s) + 3H 2 O (g) → 3O 2 (g) + B 2 H 6 (g) (ΔH = 2035 kJ/mol)
- H 2 O (l) → H 2 O (g) (ΔH = 44 kJ/mol)
- H2 ( g) + (1/2)O2 ( g) → H2O (l) (ΔH = -286 kJ/mol)
- 2B (s) + 3H 2 (g) → B 2 H 6 (g) (ΔH = 36 kJ/mol)
Aflați ΔH f al reacției:
- 2B (s) + (3/2) O 2 (g) → B 2 O 3 (s)
După înmulțirea reacțiilor cu numere (inclusiv -1, adică inversarea reacțiilor) și, în consecință, înmulțirea modificărilor de entalpie ale acestor reacții cu aceleași numere, obținem:
- B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) → B 2 O 3 (s) + 3H 2 O (g) (ΔH = -2035 kJ/mol)
- 3H 2 O (g) → 3H 2 O (l) (ΔH = -132 kJ/mol)
- 3H 2 O (l) → 3H 2 (g) + (3/2) O 2 (g) (ΔH = 858 kJ/mol)
- 2B (s) + 3H 2 (g) → B 2 H 6 (g) (ΔH = 36 kJ/mol)
După adăugarea acestor ecuații de reacție și aducerea unor termeni similari ai ecuației rezultate, obținem:
- 2B (s) + (3/2) O 2 (g) → B 2 O 3 (s) (ΔH = -1273 kJ/mol)
Literatură
- Karapetyants M.Kh. Introducere în teoria proceselor chimice. - M .: Şcoala superioară, 1981. 304 p.
- Stromberg A. G., Semchenko D. P. Chimie fizică - M .: Liceu, 1999. 527 p.
- Daniels F., Alberti R. Chimie fizică - M.: Mir, 1978. 645 p.
- Prigogine I., Kondepudi D. Termodinamică modernă. De la motoare termice la structuri disipative. — M.: Mir, 2002. 461 p.
- Borisov I.M. Fundamentele electrochimiei: manual. indemnizatie. - Ufa: Editura BSPU, 2009.- 115 p.