Следствие из закона Гесса

Расчеты теплот химических реакций с использованием закона Гесса значительно упрощают, если воспользоваться так называемыми стандартными теплотами образования и стандартными теплотами горения.

а) Расчет теплового эффекта химической реакции по стандартным теплотам образования

Стандартной теплотой образования вещества называют теплоту, которая выделяется или поглощается при образовании одного моля данного вещества в стандартном состоянии из простых веществ, взятых в стандартном состоянии при данной температуре.

Согласно приведенной формулировке теплотой образования СаСо3 будет тепловой эффект следующей реакции:

Са (ТВ) + 3/2О2 (Г) + С (граф) = СаСО3 (ТВ);                   DН = -1207 кДж/моль.

Из закона Гесса следует, что теплота химической реакции равна алгебраической сумме теплот образования реагирующих веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов, причем теплоты образования продуктов реакции берут со знаком плюс, а теплоты образования исходных веществ со знаком минус.

DН реакции = SniDНобр.(прод.) - SniDНобр(исходн).                                                                (2.23)

Рассмотрим в качестве примеров реакцию получения глюкозы из СО2 и Н2О.

Суммарное уравнение реакции можно записать:

6СО2 (Г) + Н2О (Ж) = С6Н12О6 (Т) + 6О2 (Г);                 DНх.

Приведенное уравнение можно получить следующим образом:

1. С (Т) + О2 (Г) = СО2 (Г);                                                                          DН1 = -395,23 кДж/моль;

2. Н2 (Г) + 1/2 О2 (Г) = H2O (Ж);                                                 DН2 = -286 кДж/моль;

3. 6С (Т) + 3 О2 (Г) + 6 Н2 (Г) = С6Н12О6 (Т);                                DН3 = -1161 кДж/моль.

Умножим уравнение 1 и 2 на 6, а затем их сумму вычтем из уравнения 3:

6С+3О2 (Г) 6Н2-6С-6О2-6Н2-3О2 = -СО2-6Н2О+С6Н12О6+DН3 -6DН1-6DН2.

После алгебраических преобразований получим:

6 СО2 (Г) + 6 H2O (Ж) = С6Н12О6 (Т) + 6 О2 (Г) + DН3 - 6(DН1 - DН2).

Воспользовавшись стандартными значениями теплот образования участников реакции, получим:

6 СО2 (Г) + 6 H2O (Ж) = С6Н12О6 (Т) + 6 О2 (Г);            DНх =2537 кДж.

б) Расчеты теплот сгорания

Стандартной теплотой сгорания называют теплоту выделяющегося при окислении одного моля вещества, взятого в стандартном состоянии при данной температуре, кислородом до конечных продуктов окисления.

Для большинства органических соединений конечными продуктами окисления являются СО2, Н2О, SO2 ,N2.

Из закона Гесса следует, что теплота химической реакции равна алгебраической сумме теплот сгорания реагирующих веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов, причем теплоты сгорания продуктов реакции берут со знаком минус, а теплоты сгорания исходных веществ – со знаком плюс:

DН реакции = SniDНсгор(исходн) - SniDНсгор.(прод.).                                                               (2.24)

Стандартные теплоты образования используют обычно при вычислении теплот реакций с участием неорганических веществ, а стандартные теплоты сгорания – при расчете теплот реакций с участием органических веществ.

в) Теплота нейтрализации

Теплотой нейтрализации называют теплоту, необходимую для нейтрализации одного моль-эквивалента кислоты одним моль-эквивалентом основания.

Теплота нейтрализации сильных кислот сильными основаниями не зависит от природы кислоты и основания, например:

Na+ + OH- + H+ + Cl- = Na+ + Cl- + H2O;                 DН = - 57,30 кДж/моль;

H+ + OH- = H2O;                                                    DН1 = -57,32 кДж/моль;

К+ + OH- + H+ + Cl- = К+ + Cl- + H2O;     DН2 = - 57,73 кДж/моль;

H+ + OH- = H2O;                                                    DН2 = -57,73 кДж/моль.

Тепловой эффект приведенных реакций практически одинаков и равен 57,52 кДж/моль.

Такое постоянство легко объяснить тем, что сильные кислоты и основания в водных растворах практически полностью ионизированы и реакция нейтрализации сводится к взаимодействию ионов H+ и OH-:

                               H+ + OH- = H2O;                                                     DН = -57,52 кДж/моль.

В случае реакции нейтрализации слабых кислот и слабых оснований такого постоянства не наблюдается, так как часть тепла расходуется на ионизацию слабой кислоты или слабого основания.

г) Теплота растворения

В зависимости от природы растворенного вещества и природы растворителя процесс растворения сопровождается выделением или поглощением тепла.

Мольной теплотой растворения называют количество тепла, выделяющееся и поглощающееся при растворении одного моля вещества в таком объеме растворителя, когда его дальнейшее прибавление не вызывает выделения или поглощения тепла.

Обычно при определении теплоты растворения берется более чем 300‑кратный избыток растворителя.

Теплота растворения твердых тел представляет собой теплоту разрушения кристаллической решетки DНр и теплоту сольватации DНс:

DНраств. = DНр + DНс.

Для разрушения кристаллической решетки необходимо затратить некоторое количество энергии, поэтому теплота этого процесса будет положительна.

Сольватация всегда сопровождается выделением тепла и, следовательно, теплота этого процесса отрицательна. Отсюда следует, что теплота растворения может быть как положительной, так и отрицательной.

Отрицательная теплота растворения указывает на то, что количество теплоты, выделяющееся при сольватации, больше, чем энергии, необходимой для разрушения кристаллической решетки. В случае положительной теплоты растворения количество энергии, необходимое для разрушения кристаллической решетки, больше энергии, которая выделяется при сольватации.

В тех случаях, когда в качестве растворителя используют воду, теплота, которая выделяется при взаимодействии растворенного вещества с растворителем, называется теплотой гидратации.

Теплоту гидратации, в соответствии с законом Гесса, рассчитывают по разности между теплотой растворения безводного соединения и теплотой растворения гидрата.