ჰესის კანონი: ΔH-ის პოვნა რეაქციების შეკრებით

რატომ მუშაობს ჰესის კანონი მდგომარეობის ფუნქციის გამო

ენთალპია მდგომარეობის ფუნქციაა: მისი მნიშვნელობა მხოლოდ სისტემის მიმდინარე მდგომარეობაზეა დამოკიდებული და არა იმაზე, როგორ მივიდა სისტემა იქამდე. ამიტომ ცვლილება ΔH საწყის და საბოლოო მდგომარეობას შორის ერთნაირია მათ შორის ყველა გზისთვის. სიმაღლე იგივენაირად მუშაობს. გორაზე ციცაბო ბილიკით ახვალთ თუ გრძელი სერპანტინებით, სიმაღლის ცვლილება იდენტურია.

ჰესის კანონი პირდაპირ გამომდინარეობს. თუ რეაქცია შეიძლება დაიწეროს ორი ან მეტი საფეხურის ჯამად, მისი ΔH საფეხურების ΔH მნიშვნელობების ჯამია. საფეხურები სინამდვილეში არ უნდა მოხდეს; მათ მხოლოდ სწორი ქიმიური განტოლებები უნდა იყოს, რომელთა ენთალპიები ცნობილია. სწორედ ეს თავისუფლება ხდის კანონს სასარგებლოს რეაქციებისთვის, რომელთა სუფთად გაშვებაც კალორიმეტრში არ შეგიძლიათ.

სამი წესი თერმოქიმიურ განტოლებებთან მოპყრობისთვის

თითოეული წესი იქიდან გამომდინარეობს, რომ ΔH ექსტენსიური მდგომარეობის ფუნქციაა. პროცესის შებრუნება სისტემას საწყის მდგომარეობას უბრუნებს, ამიტომ ენთალპიის ცვლილება ტოლი და საპირისპირო უნდა იყოს. რეაქციის რაოდენობის გაორმაგება მონაწილე ენერგიას აორმაგებს.

რამის გაერთიანებამდე ჩაწერეთ სამიზნე განტოლება თქვენი ნამუშევრის თავში. შემდეგ მოცემულ განტოლებებში იპოვეთ თითოეული ნივთიერება, რომელიც მხოლოდ ერთხელ ჩნდება. მისი პოზიცია და კოეფიციენტი გეტყვით, უნდა შებრუნდეს თუ არა ეს განტოლება და რა ფაქტორზე უნდა გამრავლდეს.

• განტოლების შებრუნებით მისი ΔH-ის ნიშანს ცვლით.
• განტოლების ფაქტორზე გამრავლებით მისი ΔH-ს იმავე ფაქტორზე ამრავლებთ. წილადები, როგორიცაა ½, დასაშვებია.
• განტოლებების შეკრებით მათ ΔH მნიშვნელობებს კრებთ. სახეობები, რომლებიც ჯამის ორივე მხარეს ჩნდება, მცირდება, მაგრამ მხოლოდ თუ მათი აგრეგატული მდგომარეობები ემთხვევა.

გადაწყვეტილი მაგალითი: ორი განტოლების შებრუნება და შეკრება

იპოვეთ ΔH° გრაფიტის ალმასად გადაქცევისთვის, C(graphite) → C(diamond). პირდაპირი გარდაქმნა უკიდურეს წნევას მოითხოვს და კალორიმეტრში ვერ გაეშვება, მაგრამ ნახშირბადის ორივე ფორმა იწვის. გამოიყენეთ (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ, და (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ. პირველი მნიშვნელობა OpenStax Chemistry 2e-ის დანართი G-დანაა; მეორე იმავე ცხრილიდან გამოითვალა.

გრაფიტი რეაგენტია (1)-ში და სამიზნეში, ამიტომ (1) შეინარჩუნეთ. ალმასი რეაგენტია (2)-ში, მაგრამ პროდუქტი სამიზნეში, ამიტომ შეაბრუნეთ (2): CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. ორივეს შეკრებისას O₂ და CO₂ თითო მხარეს ერთხელ ჩნდება და მცირდება, ზუსტად სამიზნეს ტოვებს. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

განმარტეთ პასუხი. დადებითი ნიშანი ნიშნავს, რომ ალმასი ენთალპიით გრაფიტზე ოდნავ მაღლა დევს, რაც ეთანხმება იმას, რომ ნახშირბადის საცნობარო ფორმა გრაფიტია და არა ალმასი. რიცხვის სიმცირე შეგვახსენებს, რომ ორი დიდი, თითქმის ტოლი მნიშვნელობის გამოკლება მათ გაურკვევლობას ზრდის.

გადაწყვეტილი მაგალითი: სამი განტოლება და გადამოწმება

იპოვეთ ΔH° ჰიდრირებისთვის C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) წვის მონაცემებიდან. გამოიყენეთ (1) C₂H₄(g) + 3 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 2 H₂O(l), ΔH° = −1411.1 kJ; (2) H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(l), ΔH° = −285.83 kJ; და (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ. ეს წვის მნიშვნელობები დანართი G-ის წარმოქმნის მონაცემებიდან გამოითვალა, რომ თვითონაც გაიმეოროთ.

C₂H₄ და H₂ რეაგენტებია სამიზნეშიც და განტოლებებშიც (1) და (2), ამიტომ ისინი როგორც დაწერილია, ისე დატოვეთ. C₂H₆ პროდუქტია სამიზნეში, მაგრამ რეაგენტია (3)-ში, ამიტომ შეაბრუნეთ (3) და ნიშანი შეუცვალეთ +1560.5 kJ-მდე. ახლა აღრიცხეთ: ჟანგბადი მარცხნივ 3 + ½ = 7/2 O₂-ია და მარჯვნივ 7/2 O₂; ნახშირორჟანგი თითო მხარეს 2-ია; წყალი მარჯვნივ 2 + 1 = 3-ია და მარცხნივ 3. ყველაფერი მცირდება, გარდა სამიზნისა. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, ერთ ათობით თანრიგამდე მითითებული, რადგან ყველაზე ნაკლებად ზუსტ მნიშვნელობებს ერთი აქვს.

გადამოწმება წარმოქმნის ენთალპიებით: C₂H₆(g)-ის ΔH°f არის −84.0 kJ/mol, C₂H₄(g)-ისა +52.4 kJ/mol, ხოლო H₂(g) ნულია, ამიტომ ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. ორი განსხვავებული გზა ერთსა და იმავე პასუხს იძლევა, რასაც მდგომარეობის ფუნქცია ზუსტად გვიქადის.

წარმოქმნის სტანდარტული ენთალპიები და საცნობარო მდგომარეობები

წარმოქმნის სტანდარტული ენთალპია, ΔH°f, არის ენთალპიის ცვლილება, როცა ნაერთის ერთი მოლი წარმოიქმნება თავისი ელემენტებისგან, თითოეული საცნობარო ფორმით, სტანდარტულ პირობებში. საცნობარო ფორმა ყველაზე სტაბილური ფორმაა იშვიათი გამონაკლისებით: ფოსფორი იყენებს თეთრ P₄(s)-ს, რომელსაც დანართი G ნულად ათავსებს. IUPAC სტანდარტულ წნევას 1 bar-ზე ადგენს; ბევრი ცხრილი მაინც 1 atm-ს იყენებს და სხვაობა ენთალპიის უმეტეს სამუშაოში უმნიშვნელოა. ცხრილური მნიშვნელობები ჩვეულებრივ 298.15 K-ზეა მოცემული.

წარმოქმნის განტოლება ყოველთვის ზუსტად ერთ მოლ პროდუქტს ქმნის, ამიტომ წილადი კოეფიციენტები ნორმალურია: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. საცნობარო ფორმაში უკვე მყოფი ელემენტისთვის, მაგალითად O₂(g), H₂(g), გრაფიტი ან თხევადი ბრომი, ΔH°f განმარტებით ნულია. ელემენტის სხვა ფორმები ნული არ არის: დანართი G ალმასს გრაფიტთან მიმართებით +1.89 kJ/mol-ად ათავსებს.

ΔH°rxn-ის გამოთვლა წარმოქმნის მონაცემებით

ნებისმიერი რეაქცია შეიძლება წარმოვიდგინოთ ორ საფეხურად: რეაგენტები დაშალეთ თავის ელემენტებად, შემდეგ ამ ელემენტებიდან ააგეთ პროდუქტები. პირველი საფეხური რეაგენტების წარმოქმნის რეაქციების შებრუნებაა, მეორე კი პროდუქტების წარმოქმნის რეაქციები. ეს გვაძლევს სამუშაო ფორმულას ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(პროდუქტები) − Σ m ΔH°f(რეაგენტები), სადაც n და m გატოლებულ განტოლებაში კოეფიციენტებია.

გადაწყვეტილი მაგალითი. იპოვეთ ΔH° 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g)-ისთვის, ჰიდრაზინის რეაქცია, რომელიც ზოგ სარაკეტო ძრავაში გამოიყენება. დანართი G-დან: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol და N₂(g) 0. პროდუქტები: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. რეაგენტები: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, ერთ ათობით თანრიგამდე მითითებული, რადგან 11.1-ს ერთი აქვს. ეს არის −539.8 kJ ჰიდრაზინის მოლზე.

წყლის მდგომარეობას მნიშვნელობა აქვს. თუ განტოლება თხევად წყალს გამოიმუშავებდა, −285.83 kJ/mol-ის გამოყენებით პასუხი იქნებოდა −1255.7 kJ. სხვაობა ოთხჯერადია იმ ენთალპიისა, რომელიც წყლის ორთქლის მოლის კონდენსაციისას გამოიყოფა.

შეცდომები, რომლებიც ჰესის კანონის გამოთვლას არღვევს

ამ ამოცანებში შეცდომების უმეტესობა აღრიცხვის შეცდომებია, ხოლო ყოველი სახეობის ჩაწერილი აღრიცხვა თითქმის ყველას ამჩნევს. როცა გადახაზვა სამიზნეს ზუსტად არ იმეორებს, რომელიმე განტოლება არასწორად შებრუნდა ან გამრავლდა.

მეორე შემოწმებაა ნიშნის შეფასება. წვა და უმეტესი სტაბილური ნაერთის წარმოქმნა ეგზოთერმულია, ამიტომ საწვავის წვისთვის დადებითი პასუხი შებრუნებულ საფეხურზე მიუთითებს.

• განტოლების შებრუნება მისი ΔH-ის ნიშნის შეუცვლელად.
• განტოლების 2-ზე ან ½-ზე გამრავლება, მაგრამ მისი ΔH-ის უცვლელად დატოვება.
• გამოკლება არასწორი თანმიმდევრობით: ფორმულაა პროდუქტები მინუს რეაგენტები.
• კოეფიციენტების დავიწყება წარმოქმნის ენთალპიების შეკრებისას.
• ΔH°f-ის არასწორი მდგომარეობისთვის გამოყენება, მაგალითად H₂O(g), როცა განტოლებაში H₂O(l)-ია.
• საცნობარო ფორმაში მყოფი ელემენტისთვის არანულოვანი ΔH°f-ის მიცემა, ან ნაერთისთვის ნულის მიცემა.