Термохимия. Закон Гесса и следствия из него

Как известно, все химические реакции сопровождаются либо поглощением, либо выделением тепла. Первое начало термодинамики дает возможность рассчитать тепловой эффект химической реакции при различных условиях ее проведения.

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций называется термохимией.

Тепловой эффект химической реакции – количество теплоты выделившейся или поглотившейся в ходе химической реакции при условии, что единственной работой является работа расширения и температуры исходных веществ и продуктов реакции одинаковы.

Величина теплового эффекта зависит от природы реагирующих веществ и продуктов реакции, их агрегатного состояния и температуры.

Важными понятиями, которыми оперирует термохимия, являются теплота образования и теплота сгорания.

Теплотой образования называют тепловой эффект реакции образовании одного моля сложного вещества из простых. Теплоты образования простых веществ принимаются равными нулю.

Теплотой сгорания называется тепловой эффект реакции окисления одного моля вещества в избытке кислорода до высших устойчивых оксидов и продуктов сгорания. Например, в качестве продуктов сгорания элементов C, H, N, S и Cl принимают CO₂, H₂O (ж), SO₂ (г), N₂ (г), HCl (г).

Основным в термохимии является закон Гесса: тепловой эффект химической реакции при V=const или P=const зависит только от вида и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.

Для пояснения закона Гесса можно рассмотреть следующий пример. Образование оксида железа (III) можно рассматривать или как результат непосредственного взаимодействия двух простых веществ:

2Fe(т) + 3/2 O₂ (г) → Fe₂O₃(т) Δ H₁ = - 821 кДж

или как результат процесса, протекающего с образованием промежуточного продукта – оксида железа (II):

2Fe(т) + O₂ (г) → 2FeO(т) Δ H₂ = - 527 кДж

2FeО (т) + 1/2 O₂ (г) → Fe₂O₃(т) Δ H₃ = - 294 кДж

Символы (г) или (т) указывают на агрегатное состояние вещества.

7.

Согласно закону Гесса тепловой эффект в обоих случаях должен быть одним и тем же. Действительно, складывая тепловые эффекты, отвечающие двум реакциям процесса, протекающего с образованием промежуточного продукта, получаем тот же суммарный тепловой эффект, который наблюдается при проведении первого процесса: Δ H₂ + Δ H₃ = - 527 кДж + (-294 кДж) = - 821 кДж.

Практическое значение закона Гесса состоит в том, что он позволяет рассчитывать тепловые эффекты химических процессов, причем и таких реакций, тепловые эффекты которых или невозможно измерить непосредственно, или по каким-либо причинам не были измерены.

В термохимических расчетах используют обычно ряд следствий из закона Гесса:

1. Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

(3.1)

ν _пр.-стехиометрические коэффициенты продуктов реакции

ν _исх.-стехиометрические коэффициенты исходных веществ

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов.

(3.2)

Рассмотрим пример решения задачи с помощью следствий из закона Гесса (в контрольной работе № 1 это задача № 1).

Задача № 1: Вычислить стандартную теплоту образования () соединения цис-С₉Н₁₆, если его стандартная теплота сгорания равна – 5663 кДж/моль.

Решение:

Процесс сгорания соединения цис-С₉Н₁₆ может быть представлен уравнением:

С₉Н₁₆ (ж) + 13 О₂ (г) = 9 СО₂ (г) + 8 Н₂О (ж) = – 5663 кДж/моль

Пользуясь первым следствием из закона Гесса (уравнение 3.1), тепловой эффект данной реакции (∆ Н⁰) можно вычислить по теплотам образования реагирующих веществ:

∆ Н⁰ = (9 + 8 ) – ( + 13 ) (1)

8.

В соответствии с определением тепловой эффект этой реакции есть теплота сгорания соединения цис-С₉Н₁₆, т.е. . Тогда из уравнения 1 можем найти теплоту образования цис-С₉Н₁₆:

= 9 + 8 – 13 –

Учитывая, что теплоты образования СО₂ и Н₂О – табличные значения (приложение 1), а теплота образования кислорода ∆ Н_обр^О2 = 0, т.к. это простое вещество, получаем:

= + 9 (-393, 51) + 8 (- 285, 84) - (- 5663) = - 165, 31 кДж/моль