Закон Гесса: решение и следствия из него

Закон Гесса - фундаментальный закон термохимии, позволяющий рассчитать тепловые эффекты сложных химических реакций. Открытый в 19 веке российским ученым Германом Ивановичем Гессом, он до сих пор актуален для химиков и инженеров.

Суть закона Гесса

Согласно закону Гесса, тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении или объеме зависит только от начальных веществ и конечных продуктов, а не от промежуточных стадий реакции. Иными словами, реакцию можно разбить на несколько стадий, но суммарный тепловой эффект будет одинаков.

Например, при окислении глюкозы в организме протекает множество сложных биохимических реакций. Но согласно закону Гесса, их суммарный тепловой эффект равен теплоте прямого окисления глюкозы кислородом.

∆H = ∆H1 + ∆H2 + ... + ∆Hn

Где ∆H - полный тепловой эффект реакции, ∆H1, ∆H2,... - тепловые эффекты отдельных стадий.

Термохимический закон Гесса является частным случаем закона сохранения энергии для химических реакций. Общая энергия системы остается постоянной, даже если реакция идет окольным путем.

Практическое применение закона Гесса

Закон Гесса и следствия из него широко используются на практике для расчета термодинамических характеристик веществ и тепловых эффектов реакций.

• Определение энтальпий образования соединений
• Расчет теплот сгорания топлива
• Термохимические расчеты в металлургии
• Оценка выделения тепла при химических производствах

Кроме того, закон Гесса применим для описания энергетического баланса живых организмов. Калорийность пищи численно равна теплоте ее окисления кислородом, что позволяет оценить пищевую ценность продуктов.

Благодаря закону Гесса эти значения можно вычислить в лаборатории, сжигая продукты в калориметре с измерением теплового эффекта.

Из закона Гесса вытекает несколько важных следствий, расширяющих его применение.

Первое следствие

Согласно первому следствию, теплота образования вещества при заданных условиях есть величина постоянная, не зависящая от способа получения этого вещества. Это следует из того, что конечное и начальное состояние системы одно и то же.

N₂ + 3H₂ = 2NH₃, ∆H₁ = -92.4 kJ/mol

Or in a two-step process:

N₂ + O₂ = 2NO, ∆H₂ = +180.5 kJ/mol

2NO + 3H₂ = 2NH₃, ∆H₃ = -572.9 kJ/mol

Суммируя эти две реакции по первому закону Гесса с учетом стехиометрических коэффициентов, получаем то же значение ∆H, как и для прямого синтеза.

Это следствие широко используется в термохимических расчетах.

Второе следствие

Второе следствие позволяет рассчитать тепловой эффект любой реакции через теплоты образования веществ:

ΔH_{реакции} = ΣΔH_f^{продукты} - ΣΔH_f^{реагенты}

Где ΔH_f - стандартные теплоты образования соединений. Это соотношение широко используется в термохимических расчетах, позволяя находить тепловые эффекты реакций по справочным данным.

Третье следствие

Согласно третьему следствию из закона Гесса, тепловой эффект реакции можно рассчитать и через теплоты сгорания веществ:

ΔH_{реакции} = ΣΔH_сг^{реагенты} - ΣΔH_сг^{продукты}

Это следствие часто используется в топливно-энергетических расчетах, позволяя оценить тепловой эффект горения топлива в зависимости от его состава и теплот сгорания компонентов.

Четвертое следствие

Четвертое следствие связано с методом термохимических циклов. Суть его в том, что можно рассчитать неизвестный тепловой эффект, замыкая цикл из известных реакций таким образом, что искомый тепловой эффект оказывается одной из стадий цикла.

Например, для определения неизвестного значения ΔH образования NH4NO 3 можно замкнуть цикл:

N₂ + 2H₂ -> 2NH₃ (ΔH известно)

2NH₃ + HNO₃ -> NH4NO 3 + H2O (искомый ΔH)

Тогда по закону Гесса и следствия из него сумма ΔH в цикле должна быть равна нулю, что позволяет найти неизвестное значение.

Пятое следствие

Пятое следствие гласит, что если реакция протекает ступенчато через промежуточные продукты, то ее общий тепловой эффект является суммой тепловых эффектов отдельных стадий.

Это важно при анализе многостадийных процессов в химической технологии, металлургии, а также биохимических реакций в живых организмах.

Шестое следствие

Шестое следствие закона Гесса утверждает, что тепловой эффект реакции не зависит от ее механизма, то есть от промежуточных переходных состояний. Даже если промежуточные вещества и переходные комплексы нестабильны и быстро распадаются, общий тепловой эффект определяется только исходными и конечным веществами по закону Гесса.

Седьмое следствие

Согласно седьмому следствию, можно пересчитать тепловой эффект реакции из одних термодинамических условий в другие. Например, изобарный тепловой эффект ΔH превратить в изохорный ΔU или наоборот с использованием уравнения:

ΔU = ΔH - Δ(pV)

Это бывает необходимо при сопоставлении данных калориметрии и термохимии или переходе между разными стандартными условиями.

Восьмое следствие

Согласно восьмому следствию, тепловой эффект реакции связан с максимальной работой расширения системы. Это следует из соотношения:

A = -ΔH

То есть чем больше теплоты выделяется в реакции при постоянном объеме, тем большую работу можно совершить, расширяя систему. Этот принцип лежит в основе тепловых машин.

Девятое следствие

Девятое следствие связывает тепловой эффект реакции с ее скоростью. Экзотермические реакции, как правило, идут быстрее благодаря образованию дополнительной теплоты. И наоборот, поглощение тепла замедляет реакцию из-за охлаждения системы.

Так, горение является типичной экзотермической цепной реакцией, лавинообразно разгоняемой выделяющимся теплом.