Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17.15: Закон Гесса про підсумовування тепла

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    19299

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Розрахунок енергії, що бере участь в роботі ацетиленового пальника, справа не проста. Так як відбувається складний ряд реакцій, то прості методи визначення теплоти реакції не підійдуть. Потрібно розробити нові підходи до цих розрахунків.

    Додавання теплоти реакції

    Іноді дуже важко або навіть неможливо виміряти зміну ентальпії для реакції безпосередньо в лабораторії. Деякі реакції протікають вкрай повільно, що робить пряме вимірювання нездійсненним. В інших випадках дана реакція може бути проміжним етапом у серії реакцій. Деякі реакції можуть бути важко ізолювати, оскільки одночасно можуть виникати кілька побічних реакцій. На щастя, виміряти зміну ентальпії для реакції можна непрямим методом. Закон Гесса підсумовування тепла стверджує, що якщо два або більше термохімічних рівнянь можна скласти разом, щоб дати остаточне рівняння, то теплоти реакції також можуть бути додані, щоб дати теплоту реакції для остаточного рівняння.

    Приклад проілюструє, як можна використовувати закон Гесса. \(\left( \ce{C_2H_2} \right)\)Ацетилен - це газ, який згорає при надзвичайно високій температурі\(\left( 3300^\text{o} \text{C} \right)\) і використовується при зварюванні. На папері ацетиленовий газ може бути отриманий реакцією твердого вуглецю (графіту) з газом воднем.

    \[2 \ce{C} \left( s, graphite \right) + \ce{H_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{C_2H_2} \left( g \right) \: \: \: \: \: \Delta H = ?\nonumber \]

    На жаль, цю реакцію було б практично неможливо виконати в лабораторії, оскільки вуглець вступав у реакцію з воднем, утворюючи одночасно багато різних вуглеводневих продуктів. Немає можливості створити умови, при яких би вироблявся тільки ацетилен.

    Однак зміни ентальпії для реакцій горіння порівняно легко виміряти. Теплоти згоряння вуглецю, водню та ацетилену показані нижче, разом з кожним збалансованим рівнянням.

    \[\begin{array}{ll} \ce{C} \left( s, graphite \right) + \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{CO_2} \left( g \right) & \Delta H = -393.5 \: \text{kJ} \\ \ce{H_2} \left( g \right) + \frac{1}{2} \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right) & \Delta H = -285.8 \: \text{kJ} \\ \ce{C_2H_2} \left( g \right) + \frac{5}{2} \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{CO_2} \left( g \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) & \Delta H = -1301.1 \: \text{kJ} \end{array}\nonumber \]

    Щоб використовувати закон Гесса, нам потрібно визначити, як можна маніпулювати трьома рівняннями вище, щоб їх можна було скласти разом, щоб отримати бажане рівняння (утворення ацетилену з вуглецю та водню).

    Для цього ми пройдемо потрібне рівняння, по одній речовині за раз - вибираючи реакцію горіння з рівнянь вище, що містить цю речовину. Може знадобитися або зворотна реакція горіння, або помножити її на якийсь коефіцієнт, щоб вона «підходила» до потрібного рівняння. Першим реагентом є вуглець і в рівнянні для потрібної реакції коефіцієнт вуглецю дорівнює 2. Отже, напишемо першу реакцію горіння, подвоївши всі коефіцієнти і\(\Delta H\):

    \[2 \ce{C} \left( s, graphite \right) + 2 \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{CO_2} \left( g \right) \: \: \: \: \: \Delta H = 2 \left( -393.5 \right) = -787.0 \: \text{kJ}\nonumber \]

    Другий реагент - водень і його коефіцієнт дорівнює 1, як і в другій реакції горіння. Тому ця реакція буде використана як написано.

    \[\ce{H_2} \left( g \right) + \frac{1}{2} \ce{O_2} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right) \: \: \: \: \: \Delta H = -285.8 \: \text{kJ}\nonumber \]

    Твір реакції є\(\ce{C_2H_2}\) і її коефіцієнт також дорівнює 1. У реакції горіння #3 ацетилен є реагентом. Тому ми будемо зворотну реакцію 3, змінивши ознаку\(\Delta H\):

    \[2 \ce{CO_2} \left( g \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{C_2H_2} \left( g \right) + \frac{5}{2} \ce{O_2} \left( g \right) \: \: \: \: \: \Delta H = 1301.1 \: \text{kJ}\nonumber \]

    Тепер ці три реакції можна підсумувати разом. Будь-яка речовина, яка з'являється в рівних кількостях як реагент в одному рівнянні і твір в іншому рівнянні скасовує алгебраїчно. Значення для змін ентальпії також додаються.

    \[\begin{array}{rccclclrcl} 2 \ce{C} \left( s, graphite \right) & + & \cancel{2 \ce{O_2} \left( g \right)} & \rightarrow & \cancel{2 \ce{CO_2} \left( g \right)} & & & \Delta H & = & -787.0 \: \text{kJ} \\ \ce{H_2} \left( g \right) & + & \cancel{\frac{1}{2} \ce{O_2} \left( g \right)} & \rightarrow & \cancel{\ce{H_2O} \left( l \right)} & & & \Delta H & = & -285.8 \: \text{kJ} \\ \cancel{2 \ce{CO_2} \left( g \right)} & + & \cancel{\ce{H_2O} \left( l \right)} & \rightarrow & \ce{C_2H_2} \left( g \right) & + & \cancel{\frac{5}{2} \ce{O_2} \left( g \right)} & \Delta H & = & 1301.1 \: \text{kJ} \\ \hline 2 \ce{C} \left( s, graphite \right) & + & \ce{H_2} \left( g \right) & \rightarrow & \ce{C_2H_2} \left( g \right) & & & \Delta H & = & 228.3 \: \text{kJ} \end{array}\nonumber \]

    Отже, теплота реакції для поєднання вуглецю з воднем для отримання ацетилену є\(228.3 \: \text{kJ}\). Коли утворюється один моль ацетилену,\(228.3 \: \text{kJ}\) тепло поглинається, роблячи реакцію ендотермічної.

    Резюме

    • Закон Гесса підсумовування тепла стверджує, що якщо два або більше термохімічних рівнянь можна скласти разом, щоб дати остаточне рівняння, то теплоти реакції також можуть бути додані, щоб дати теплоту реакції для остаточного рівняння.
    • Закон Гесса використовується для розрахунку теплоти реакції для процесів, які неможливо виміряти безпосередньо.