Закон Гесса — опис, математичне формулювання

В основі розвитку термохімії лежить закон Гесса, формулювання якого пов’язане з багатьма нюансами. В ізохорно-ізотермічних або ізобарно-ізотермічних умовах обов’язково відбувається тепловий ефект хімічної реакції.

Підсумковий результат багато в чому залежить від виду і стану базових компонентів. На результат не впливає шлях процесу і кількість проміжних стадій.

Основні моменти

Перш ніж розбиратися у формулюванні Закону Гесса, необхідно зрозуміти, що таке термохімія і для чого вона потрібна. Найкраще почати з вивчення понять теплообміну, теплоти і енергії в хімічному сенсі цих термінів. У кожному випадку діють свої правила, з якими обов’язково повинен бути знайомий фахівець.

Виділення тепла відбувається часто. Підсумкова активність руху молекул вважається основною і єдиною причиною всіх термодинамічних явищ. Класичною молекулярною теорією будови базової речовини можна легко пояснити процес ефузії, дифузії, а також явище теплопровідності. Для того щоб можна було зіставляти теплові ефекти різних реакцій і проводити термохімічні розрахунки, введено поняття теплового ефекту при стандартних умовах.

Температурою прийнято називати чисельну характеристику, яка описує тепловий різновид енергії. Теоретично нагрів може відбуватися велику кількість разів, але в підсумку тепло буде поступово міняти свій агрегатний стан. На цей процес впливає результат хімічної реакції.

Під час нагрівання та охолодження тепло змінює свій первісний стан. Але в цій ситуації об’єм і тиск зберігаються. Якщо правильно коригувати ці два параметри, то при нагріванні можна уникнути небажаного переходу.

Тепловий ефект, що проводиться в ізохорно-ізотермічних або ізобарно-ізотермічних специфічних умовах, залежить виключно від різновиду і стану вихідних речовин.

Показники температури і тепла

Використовуване фахівцями математичне вираження Закону Гесса має кілька важливих нюансів. Попередньо нагріті предмети і рідини не можуть нескінченно віддавати накопичене тепло. Завжди існує якась межа, коли молекули повністю завмирають. Таке явище носить назву абсолютного нуля.

Для цієї ситуації властива температура -273 градуси за шкалою Цельсія. Цей нюанс повинні враховувати ті, хто вирішив ознайомитися з законом Гесса. Наприклад, безпосереднє експериментальне визначення теплового ефекту реакції окислення вуглецю в оксид вуглецю (II) ΔH2 (реакція 2) здійснити практично неможливо, оскільки при згорянні утворюється суміш оксидів).

Фахівці виділяють три найпопулярніших шкали вимірювання температур:

• Фаренгейт.
• Цельсій.
• Кельвін.

Найпоширенішою є шкала Цельсія, але вона безпосередньо залежить від характеристик води при стабільному атмосферному тиску. Вода замерзає при температурі 0°. Кипіти вона починає після досягнення позначки + 100 °C. Шкала Цельсія отримала величезний попит в повсякденному житті людини. Комфортна кімнатна температура знаходиться в межах + 25 °C, оптимальна температура тіла людини становить +36,6 градуса.

Шкала Фаренгейта сильно залежить від характеристик розчину, що складається з води, нашатирного спирту і солі. Ця рідка суміш замерзає при 0°F, що за іншими показниками може відповідати -18 °C.

Найбільший фізичний сенс носить шкала Кельвіна. Абсолютним нулем вважається температура 273 °C. Ця шкала позбавлена негативних температур і має прямий лінійний зв’язок з іншими показниками. Замерзає вода при позначці 273°К, а для закипання потрібно 373°К.

Значення термохімії

Зрозуміти закон Гесса і наслідки з нього можливо тільки в тому випадку, якщо попередньо вивчити всі базові характеристики теплового ефекту. Нагрівання та охолодження — це несиметричне фізичне поняття. Певним змістом наділений тільки процес нагрівання рідини. Предмет, що віддає тепло поступово холоднішає. Як тільки теплопередача буде завершена, температура обох тіл зрівняється і настане своєрідна рівновага. Утворену теплову енергію прийнято вимірювати в калоріях або Джоулях.

У кінострічках часто показують міф про те, що в космічному просторі тіла швидко замерзають, через що покриваються шаром інею і снігу.

Але на практиці це середовище являє собою практично вакуум. Саме тому в космосі тіла не можуть віддавати своє тепло, оскільки немає тієї речовини, яка могла б проводити цінну енергію. З цієї причини понад чотири мільярди років розпечена магма Землі зберігає рівень температури практично без змін.

Хімія вважається складною наукою, оскільки при вивченні фізичних законів матерії обов’язково акцентують увагу на різновиди процесів. Тільки якісна теорія дозволяє створити якусь базу, щоб можна було розібратися у всіх нюансах. Цей розділ хімії має назву фізична хімія. Розглянута наукова область тісно пов’язана з дослідженнями структури речей і супроводом обміну або виділення теплової енергії.

Якщо хімічна термодинаміка буде акцентувати підвищену увагу на вивченні тих явищ, які пов’язані з виділенням тепла, то фахівцеві доведеться зіткнутися з термохімією. Ця наука не може обійтися без ентропії (міра невпорядкованості стану системи, прагнення частинок до хаотичного руху). По зміні ентропії під час реакції можна судити про перехід системи від більш впорядкованого стану до менш впорядкованого або навпаки.

Характерні особливості Закону Гесса

Саме цей розділ є основоположним всієї термохімії. Під час протікання хімічних реакцій чисельні значення теплових ефектів абсолютно не залежать від того, яким саме чином протікають основні процеси.

Головний закон термохімії містить інформацію про те, що якщо у дослідника є реальна можливість провести одну і ту ж хімічну реакцію декількома способами, то підсумкові теплові процеси будуть ідентичними у всіх випадках.

Але домогтися такого результату можливо тільки в тому випадку, якщо умови всіх реакцій однакові. Попри інтуїтивну очевидність цього наукового твердження, складно зрозуміти всі його нюанси. Саме тому потрібно вивчити формулювання.

Теплова енергія, що виробляється або використовується, володіє оптимальними показниками тільки в тому випадку, якщо тиск і температура залишаються незмінними, в незалежності від інших умов реакції. Зрозуміти закон можна на елементарному прикладі засвоєння цукру в людському організмі. Для переробки глюкози необхідні численні складні органічні реакції.

Організм людини засвоює цукор тільки після того, як цей компонент пройшов багато етапів розщеплення. Але протягом усього цього процесу виділяється така ж енергія, як і при згорянні глюкози. Синтез АТФ (ендергонічна реакція) протікає внаслідок енергії Гіббса, утвореної при окисленні глюкози (екзергонічна реакція).

Щоб краще розібратися у всіх тонкощах закону, необхідно представити його в математичній формі. Насамперед потрібно розглянути реакцію між речовинами S₁, S₂, S₃ (звичайна вода, кислоти, вуглекислий газ).

Реакція може бути будь-яка:

• відновлення;
• окислення;
• дегідратація.

Основне завдання в тому, щоб за допомогою речовин S₁, S₂, S₃ отримати компоненти T₁, T₂, T₃. Яскравим прикладом є реакція окислення, в якій основною діючою речовиною є водень:

Fe + 2HCL = FeCL₂ + H₂.

Саме соляна кислота і залізо являють собою раніше розглянуті S₁ і S₂. Кінцевою речовиною є водень і хлорид заліза – приклад Т₁, Т₂.

Базові поняття з термохімії

Та енергія, яка доступна в потенційному і теоретичному вигляді для перетворення тепла в ізобарному процесі, називається ентальпією. Також потрібно пам’ятати, що ізобарним прийнято називати процес, під час якого показники тиску не змінюються. Для позначення сталості в термохімії використовується приставка “ізо”. Наприклад: ізотермічний і ізохорний процеси вказують на постійну температуру.

Для навчання студентів фахівці завжди розглядають елементарну ситуацію. Якщо є звичайний балон, в якому під постійним пресом знаходиться газ, то ентальпією позначають підсумкову суму потенційної енергії преса і власної енергії газу.

Саме ентальпією прийнято показувати ту енергію, яка почнеться виділятися відразу після того, як з ємності почне виходити паливо.

Не менш цікавий приклад: людина сидить під грушею, а над її головою висить стиглий фрукт. Теоретично він може впасти в будь-який момент. Якщо людина продовжить сидіти під деревом, то рано чи пізно груша відірветься. Потенційна енергія фрукта і є ентальпія, яку прийнято позначати формулою DH₀/f. Якщо мова стосується ентальпії продуктів хімічної реакції, тоді в силу вступають деякі поправки – DH₀/f_прод.

Для позначення реагентів фахівці вивели додаткову формулу DH₀/f_{реагенти}. Щоб вказати точну кількість речовини, слід використовувати букву n. Це своєрідний коефіцієнт, який потрібно обов’язково переводити в хімічну реакцію перед основним компонентом. Наприклад,

Fe + 2HCL = FeCL2 + H₂.

Варто відзначити, що число n — це цифра «2», яка вказана перед соляною кислотою.

Перший і другий наслідок

Класичний тепловий ефект являє собою якусь суму всіх ентальпій продуктів цієї реакції. У категорію винятків увійшла тільки підсумкова кількість всіх ентальпій вихідних речовин. Цей наслідок досить просто зобразити у вигляді формули:

DH0x.р. = прод. * DH₀/F_прод – n_вих * Dh₀/F реагентів.

Саме цей наслідок закону дозволяє максимально швидко і правильно розрахувати тепловий ефект реакції.

Другий наслідок використовується тільки стосовно сполук органічного типу. Якщо в теплових ефектах хімічних реакцій застосовуються натуральні речовини, то підсумковий результат являє собою суму енергії згоряння первинного компонента.

Це твердження не стосується енергії, яка утворюється в результаті згоряння продуктів реакції.

Способи вирішення елементарних завдань

Щоб непідготовлена людина могла самостійно розібратися у всіх тонкощах основного закону термохімії, необхідно вивчити кілька наочних прикладів. Якщо звернути увагу на всі нюанси, то в підсумку можна навчитися шукати теплові ефекти хімічних реакцій.

Задача 1

Перший приклад вирішення завдання за законом Гесса дозволяє виконати розрахунок енергії згоряння етилового спирту, використовуючи при цьому тільки табличні дані.

Стандартна формула окислення етилового спирту виглядає так:

C₂H₅OH = 3O₂ + 2CO₂ + 3H₂O

Рівняння для пошуку рішення задачі складається з трьох етапів:

• DH₀ crop = c +3DH₀/f(H₂O) — DH₀/f(C₂H₅OH);
• DH₀/f(C₂H₅OH) = 2DH₀/f(CO₂) + 3DH₀/f(H₂O) — DH₀/f(C₂H₅OH);
• DH₀/f(C₂H₅OH) = 2 (-393, 5) + 3 (241, 8) — (-277, 7) = 1234, 7 кДж / моль .

Задача 2

Другий приклад завдання простіший. Основне завдання – обчислити тепловий ефект дегідратації етилового спирту. Встановлені показники:

• DH₀ crop(C₂H₄) = -1422.
• DH₀ crop(H₂O) = 0.
• DH₀ crop(C₂H₅OH) = -1234.

Всі ці значення були отримані з попереднього прикладу. Реакція дегідратації виглядає наступним чином:

C₂H₅OH = C₂H₄ + H₂O

Для розв’язання задачі слід задіяти другий наслідок закону Гесса:

DH₀x.p. = DH₀crop(C₂H₅OH) — DH0_crop(C₂H₄) — DH0crop(H₂O) = 188 кДж/моль.

З усіх наведених прикладів навіть новачкові нескладно здогадатися, що основний закон термохімії на практиці є головним, оскільки саме на ньому і всіх його наслідках заснована вся сучасна експериментальна хімія.

Всі перераховані правила і затвердження носять базовий характер у всіх наукових галузях. Закон Гесса щодня успішно застосовується в мікробіології, біохімії, генетиці і навіть фармацевтиці. Це пов’язано з тим, що у всіх перерахованих науках дуже важливо вміти правильно розраховувати тепловий ефект реакції.

Всю відсутню інформацію можна вивчити в науковій літературі, де детально описані всі формули, а також їх значення.