Закон Гесса - математическая формулировка и следствия

Основополагающие моменты

Прежде чем разбираться в формулировке закона Гесса, необходимо понять, что такое термохимия и для чего она нужна. Лучше всего начать с изучения понятий теплообмена, теплоты и энергии в химическом смысле этих терминов. В каждом случае действуют свои правила, с которыми обязательно должен быть знаком специалист.

Выделение тепла происходит сплошь и рядом. Итоговая активность движения молекул считается основной и единственной причиной всех термодинамических явлений. Классической молекулярной теорией строения базового вещества можно легко объяснить процесс эффузии, диффузии, а также явление теплопроводности. Для того чтобы можно было сопоставлять тепловые эффекты различных реакций и проводить термохимические расчёты, введено понятие теплового эффекта при стандартных условиях.

Температурой принято называть численную характеристику, которая описывает тепловую разновидность энергии. Теоретически нагрев может происходить большое количество раз, но в итоге тепло будет постепенно менять своё агрегатное состояние. На этот процесс влияет результат химической реакции.

Во время нагрева и охлаждения тепло меняет своё первоначальное состояние. Но в этой ситуации объём и давление сохраняются. Если правильно корректировать эти два параметра, то при нагреве можно избежать нежелательного перехода.

Тепловой эффект, проводимый в изохорно-изотермических или изобарно-изотермических специфических условиях, зависит исключительно от разновидности и состояния исходных веществ.

Показатели температуры и тепла

Используемое специалистами математическое выражение закона Гесса имеет несколько важных нюансов. Предварительно нагретые предметы и жидкости не могут бесконечно отдавать накопленное тепло. Всегда существует некий предел, когда молекулы полностью замирают. Такое явление носит название абсолютного нуля. Для этой ситуации свойственна температура -273 градуса по шкале Цельсия. Этот нюанс должны учитывать те, кто решил ознакомиться с законом русского химика Гесса. Например, непосредственное экспериментальное определение теплового эффекта реакции окисления углерода в оксид углерода (II) ΔH2 (реакция 2) осуществить практически невозможно (при сгорании образуется смесь оксидов).

Специалисты выделяют три самых популярных шкалы измерения температур:

• Фаренгейт.
• Цельсий.
• Кельвин.

Самой распространённой является шкала Цельсия, но она напрямую зависит от характеристик воды при стабильном атмосферном давлении. Рассматриваемая жидкость замерзает при температуре 0°. Кипеть вода начинает после достижения отметки +100 °C. Шкала Цельсия получила огромный спрос в повседневной жизни человека. Комфортная комнатная температура находится в пределах +25 °C, оптимальная температура тела человека составляет +36,6 градуса. Шкала Фаренгейта сильно зависит от характеристик раствора, состоящего из воды, нашатырного спирта и соли. Эта жидкая смесь замерзает при 0°F, что по другим показателям может соответствовать -18 °C.

Самый большой физический смысл носит шкала Кельвина. Абсолютным нулём считается температура — 273 °C. Эта шкала лишена отрицательных температур и имеет прямую линейную связь с остальными показателями. Замерзает вода при отметке 273°К, а для закипания нужно 373°К.

Значение термохимии

Понять закон Гесса и следствия из него возможно только в том случае, если предварительно изучить все базовые характеристики теплового эффекта. Нагревание и охлаждение — это несимметрическое физическое понятие. Определённым смыслом наделён только процесс нагревания жидкости. Отдающий тепло предмет постепенно становится холоднее. Как только теплопередача будет завершена, температура обеих тел сравняется и наступит своеобразное равновесие. Образуемую тепловую энергию принято измерять в калориях либо Джоулях.

В кинолентах часто показывают миф о том, что в космическом пространстве тела быстро замерзают, из-за чего покрываются слоем инея и снега.

Но на практике эта среда представляет собой практически вакуум. Именно поэтому в космосе тела не могут отдавать своё тепло, так как нет того вещества, которое могло бы проводить ценную энергию. По этой причине более четырёх миллиардов лет раскалённая магма земли сохраняет уровень температуры практически без изменений.

Химия считается сложной наукой, так как при изучении физических законов материи обязательно акцентируют внимание на разновидности процессов. Только качественная теория позволяет создать некую базу, чтобы можно было разобраться во всех нюансах. Этот раздел химии носит название физическая химия. Рассматриваемая научная область тесно связана с исследованиями структуры вещей и сопровождением обмена или выделения тепловой энергии.

Если химическая термодинамика будет акцентировать повышенное внимание на изучении тех явлений, которые связаны с выделением тепла, то специалисту придётся столкнуться с термохимией. Эта наука не может обойтись без энтропии (мера неупорядоченности состояния системы, стремление частиц к хаотическому движению). По изменению энтропии во время реакции можно судить о переходе системы от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному или наоборот.

Характерные особенности закона Гесса

Именно этот раздел является основополагающим во всей термохимии. Во время протекания химических реакций численные значения тепловых эффектов совершенно не зависят от того, каким именно образом протекают основные процессы.

Главный закон термохимии содержит информацию о том, что если у человека есть реальная возможность провести одну и ту же химическую реакцию несколькими способами, то итоговые тепловые процессы будут идентичными во всех случаях. Но добиться такого результата возможно только в том случае, если условия всех задействованных реакций одинаковые. Несмотря на интуитивную очевидность этого научного утверждения, сложно понять все его нюансы. Именно поэтому нужно изучить формулировку.

Вырабатываемая или используемая тепловая энергия обладает оптимальными показателями только в том случае, если давление и температура остаются неизменными, в независимости от остальных условий реакции. Понять закон можно на элементарном примере усваивания сахара в человеческом организме. Для переработки глюкозы необходимы многочисленные сложные органические реакции.

Организм человека усваивает сахар только после того, как этот компонент прошёл много этапов расщепления. Но в течение всего этого процесса выделяется такая же энергия, как и при сгорании глюкозы. Синтез АТФ (эндергоническая реакция) протекает за счёт энергии Гиббса, образуемой при окислении глюкозы (экзергоническая реакция).

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях закона, необходимо представить его в математической форме. Первым делом нужно рассмотреть реакцию между веществами S1, S2, S3 (обычная вода, кислоты, углекислый газ). Реакция может быть любой: восстановление, окисление, дегидратация. Основная задача в том, чтобы при помощи веществ S1, S2, S3 получить компоненты T1, T2, T3. Ярким примером является реакция окисления, в которой основным действующим веществом является водород: Fe + 2 HCL = FeCL 2 + H 2. Именно соляная кислота и железо представляют собой ранее рассмотренные S1 и S2. Конечным веществом является водород и хлорид железа — пример Т1, Т2.

Базовые понятия из термохимии

Та энергия, которая доступна в потенциальном и теоретическом виде для преобразования тепла в изобарном процессе, называется энтальпией. Также нужно помнить, что изобарным принято называть процесс, во время которого показатели давления не меняются. Для обозначения постоянства в термохимии используется приставка «изо». К примеру: изотермический и изохорный процессы указывают на постоянную температуру.

Для обучения студентов специалисты всегда рассматривают элементарную ситуацию. Если есть обычный баллон, в котором под постоянным прессом находится газ, то энтальпией обозначают итоговую сумму потенциальной энергии пресса и собственной энергии газа. Именно энтальпией принято отображать ту энергию, которая начнётся выделяться сразу после того, как из ёмкости начнёт выходить топливо.

Не менее интересный пример: человек сидит под грушей, а над его головой висит спелый фрукт. Теоретически он может упасть в любой момент. Если человек продолжит сидеть под деревом, то рано или поздно груша оторвётся. Потенциальная энергия фрукта и есть энтальпия, которую принято обозначать формулой DH0/f. Если речь касается энтальпии продуктов химической реакции, тогда в силу вступают некоторые поправки — DH0/f прод.

Для обозначения реагентов специалисты вывели дополнительную формулу DH0/f реагенты. Чтобы указать точное количество задействованного вещества, следует задействовать букву n. Это своеобразный коэффициент, который нужно обязательно переводить в химическую реакцию перед основным компонентом. К примеру, Fe +2 HCL = FeCL2 + H₂. Стоит отметить, что число n — это цифра «2», которая указана перед соляной кислотой.

Первое и второе следствие

Классический тепловой эффект представляет собой некую сумму всех энтальпий продуктов этой реакции. В категорию исключений вошло только итоговое количество всех энтальпий исходных веществ. Это следствие довольно просто изобразить в виде формулы: DH0x.р. = n прод. * DH0/f прод. — n исх. * DH0/f реагентов. Именно это следствие закона позволяет максимально быстро и правильно рассчитать тепловой эффект реакции.

Второе следствие используется только по отношению к соединениям органического типа. Если в тепловых эффектах химических реакций применяются натуральные вещества, то итоговый результат представляет собой сумму энергии сгорания первичного компонента. Это утверждение не касается энергии, которая образуется в результате сгорания продуктов реакции. В строгом соответствии со вторым законом специалисты разработали универсальную формулу для стандартных условий: ΔН0 реакц. = ΣvкΔН0 обр, к — ΣHVHΔH0 обр, н.

Способы решения элементарных задач

Чтобы неподготовленный человек мог самостоятельно разобраться во всех тонкостях основного закона термохимии, необходимо изучить несколько наглядных примеров. Если обратить внимание на всё нюансы, то в итоге можно научиться искать тепловые эффекты химических реакций.

Первый пример решения задачи по закону Гесса позволяет выполнить расчёт энергии сгорания этилового спирта, используя при этом только табличные данные.

Стандартная формула окисления этилового спирта выглядит так: C2H5OH = 3O2 + 2CO2 + 3H2O. Уравнение для поиска решения задачи состоит из трёх этапов:

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

Второй пример задачи более простой. Основная задача — вычислить тепловой эффект дегидратации этилового спирта. Установленные показатели:

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

Все эти значения были получены из предыдущего примера. Реакция дегидратации выглядит следующим образом: C2H5OH = C2H4 + H2O. Для решения задачи следует задействовать второе следствие закона Гесса: DH0 x.p. = DH0 crop(C 2 H 5 OH) — DH0 crop(C2H4) — DH0 crop(H2O) = 188 кДж/моль. Из всех приведённых примеров даже новичку несложно догадаться, что основной закон термохимии на практике является главным, так как именно на нём и всех его следствиях основана вся современная экспериментальная химия.

Все перечисленные правила и утверждения носят базовый характер во всех научных отраслях. Закон Гесса ежедневно успешно применяется в микробиологии, биохимии, генетике и даже фармацевтике. Это напрямую связано с тем, что во всех перечисленных науках очень важно уметь правильно рассчитывать тепловой эффект реакции. Всю недостающую информацию можно изучить в научной литературе, где подробно описаны все формулы, а также их значение.