Гесс заңы: реакцияларды қосу арқылы ΔH табу

Күй функциясы Гесс заңын неге жұмыс істетеді

Энтальпия — күй функциясы: оның мәні жүйенің қазіргі күйіне ғана тәуелді, жүйенің оған қалай жеткеніне емес. Сондықтан бастапқы және соңғы күйлер арасындағы ΔH өзгерісі олардың арасындағы әр жол үшін бірдей. Биіктік те дәл солай жұмыс істейді. Төбеге тік соқпақпен немесе ұзақ иірімдермен көтерілсеңіз де, биіктік өзгерісі бірдей.

Гесс заңы тікелей осыдан шығады. Егер реакцияны екі немесе одан көп қадамның қосындысы ретінде жазуға болса, оның ΔH мәні қадамдардың ΔH мәндерінің қосындысы. Қадамдар шын мәнінде жүруі міндетті емес; олар тек энтальпиялары белгілі жарамды химиялық теңдеулер болуы керек. Заңды калориметрде таза жүргізе алмайтын реакциялар үшін пайдалы ететін осы еркіндік.

Термохимиялық теңдеулерді өзгертудің үш ережесі

Әр ереже ΔH — экстенсивті күй функциясы екенінен шығады. Процесті кері бұру жүйені бастапқы күйіне қайтарады, сондықтан энтальпия өзгерісі шамасы тең, таңбасы қарама-қарсы болуы керек. Реакция мөлшерін екі еселеу қатысатын энергияны екі еселейді.

Ештеңені біріктірмес бұрын жұмысыңыздың жоғарғы жағына мақсатты теңдеуді жазыңыз. Содан кейін берілген теңдеулерден тек бір рет кездесетін әр затты табыңыз. Оның орны мен коэффициенті сол теңдеуді кері бұру керек пе және оны қандай көбейткішке көбейту керек екенін көрсетеді.

• Теңдеуді кері бұрсаңыз, оның ΔH таңбасы өзгереді.
• Теңдеуді көбейткішке көбейтсеңіз, оның ΔH мәнін де сол көбейткішке көбейтесіз. ½ сияқты бөлшектерге рұқсат етіледі.
• Теңдеулерді қоссаңыз, олардың ΔH мәндерін қосасыз. Қосындының екі жағында да кездесетін бөлшектер қысқарады, бірақ тек физикалық күйлері сәйкес келсе.

Шешілген мысал: екі теңдеуді кері бұру және қосу

Графиттің алмазға айналуы үшін ΔH° табыңыз, C(graphite) → C(diamond). Тікелей түрлендіру аса жоғары қысымды қажет етеді және калориметрде жүргізілмейді, бірақ көміртектің екі түрі де жанады. (1) C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −393.51 kJ және (2) C(diamond) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH° = −395.40 kJ қолданыңыз. Бірінші мән OpenStax Chemistry 2e G қосымшасынан; екіншісі сол кестеден есептелген.

Графит (1)-де және мақсатта реагент, сондықтан (1)-ді сақтаңыз. Алмаз (2)-де реагент, бірақ мақсатта өнім, сондықтан (2)-ні кері бұрыңыз: CO₂(g) → C(diamond) + O₂(g), ΔH° = +395.40 kJ. Екеуін қосқанда O₂ және CO₂ әр жақта бір реттен кездесіп, қысқарады, дәл мақсатты теңдеу қалады. ΔH° = −393.51 kJ + 395.40 kJ = +1.89 kJ.

Жауапты түсіндіріңіз. Оң таңба алмаздың энтальпиясы графитке қарағанда сәл жоғары екенін білдіреді, бұл көміртектің анықтамалық түрі алмаз емес, графит екеніне сәйкес келеді. Санның аз болуы екі үлкен, дерлік тең мәнді азайту олардың белгісіздігін үлкейтетінін еске салады.

Шешілген мысал: үш теңдеу және айқас тексеру

C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) гидрлеуі үшін ΔH° мәнін жану деректерінен табыңыз. (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; және (3) C₂H₆(g) + 7/2 O₂(g) → 2 CO₂(g) + 3 H₂O(l), ΔH° = −1560.5 kJ қолданыңыз. Бұл жану мәндері G қосымшасының түзілу деректерінен есептелген, сондықтан сіз оларды қайталай аласыз.

C₂H₄ және H₂ мақсатта да, (1) және (2) теңдеулерінде де реагент, сондықтан оларды жазылғандай сақтаңыз. C₂H₆ мақсатта өнім, бірақ (3)-те реагент, сондықтан (3)-ті кері бұрып, таңбасын +1560.5 kJ етіп өзгертіңіз. Енді санап шығыңыз: оттек сол жақта 3 + ½ = 7/2 O₂ және оң жақта 7/2 O₂; көміртек диоксиді әр жақта 2; су оң жақта 2 + 1 = 3 және сол жақта 3. Мақсаттан басқасының бәрі қысқарады. ΔH° = −1411.1 − 285.83 + 1560.5 = −136.4 kJ, бір ондық таңбаға дейін жазылады, өйткені ең дәлсіз мәндерде бір таңба бар.

Түзілу энтальпияларымен айқас тексеру: C₂H₆(g) ΔH°f мәні −84.0 kJ/mol, C₂H₄(g) мәні +52.4 kJ/mol, ал H₂(g) нөл, сондықтан ΔH° = −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ. Екі түрлі жол бірдей жауап береді, күй функциясы дәл осыған кепілдік береді.

Стандартты түзілу энтальпиялары және анықтамалық күйлер

Стандартты түзілу энтальпиясы, ΔH°f, — стандартты жағдайда, әрқайсысы анықтамалық түрінде алынған элементтерден бір моль қосылыс түзілгендегі энтальпия өзгерісі. Анықтамалық түр сирек ерекшеліктерді қоспағанда ең тұрақты түр: фосфор үшін G қосымшасы нөл деп тізетін ақ P₄(s) қолданылады. IUPAC стандартты қысымды 1 bar деп белгілейді; көптеген кестелер әлі де 1 atm қолданады, ал айырмашылық энтальпиялық жұмыстардың көбінде елеусіз. Кестелік мәндер әдетте 298.15 K кезінде беріледі.

Түзілу теңдеуі әрқашан дәл бір моль өнім жасайды, сондықтан бөлшек коэффициенттер қалыпты: ½ N₂(g) + 3/2 H₂(g) → NH₃(g), ΔH°f = −45.9 kJ/mol. O₂(g), H₂(g), графит немесе сұйық бром сияқты анықтамалық түрінде тұрған элемент үшін ΔH°f анықтама бойынша нөл. Элементтің басқа түрлері нөл емес: G қосымшасы алмазды графитке қатысты +1.89 kJ/mol деп тізеді.

Түзілу деректерінен ΔH°rxn есептеу

Кез келген реакцияны екі қадам деп елестетуге болады: реагенттерді элементтеріне ыдырату, содан кейін өнімдерді сол элементтерден құрау. Бірінші қадам реагенттердің түзілу реакцияларына кері, ал екіншісі өнімдердің түзілу реакциялары. Бұл жұмыс формуласын береді: ΔH°rxn = Σ n ΔH°f(products) − Σ m ΔH°f(reactants), мұндағы n және m — теңестірілген теңдеудегі коэффициенттер.

Шешілген мысал. 2 N₂H₄(l) + N₂O₄(g) → 3 N₂(g) + 4 H₂O(g) үшін ΔH° табыңыз, бұл кейбір зымыран қозғалтқыштарында қолданылатын гидразин реакциясы. G қосымшасынан: N₂H₄(l) +50.63 kJ/mol, N₂O₄(g) +11.1 kJ/mol, H₂O(g) −241.82 kJ/mol және N₂(g) 0. Өнімдер: 3(0) + 4(−241.82) = −967.28 kJ. Реагенттер: 2(50.63) + 11.1 = 112.36 kJ. ΔH° = −967.28 − 112.36 = −1079.6 kJ, бір ондық таңбаға дейін жазылады, өйткені 11.1 мәнінде бір таңба бар. Бұл бір моль гидразинге −539.8 kJ.

Судың күйі маңызды. Егер теңдеу сұйық су түзсе, −285.83 kJ/mol қолданғанда жауап −1255.7 kJ болар еді. Айырмашылық бір моль су буы конденсацияланғанда бөлінетін энтальпияның төрт еселенгенімен тең.

Гесс заңы есебін бұзатын қателер

Бұл есептердегі қателердің көбі есеп жүргізу қателері, және әр бөлшектің жазбаша санап шығуы олардың барлығын дерлік ұстайды. Қысқару мақсатты дәл қайталамаса, теңдеу дұрыс емес кері бұрылған немесе масштабталған.

Екінші тексеру — таңбаны бағалау. Жану және көптеген тұрақты қосылыстардың түзілуі экзотермиялық, сондықтан отынды жағу үшін оң жауап кері бұрылған қадамды көрсетеді.

• Теңдеуді оның ΔH таңбасын өзгертпей кері бұру.
• Теңдеуді 2-ге немесе ½-ге көбейтіп, оның ΔH мәнін өзгеріссіз қалдыру.
• Қате ретпен азайту: формула — өнімдер минус реагенттер.
• Түзілу энтальпияларын қосқанда коэффициенттерді ұмыту.
• ΔH°f мәнін қате күй үшін қолдану, мысалы теңдеуде H₂O(l) болғанда H₂O(g).
• Анықтамалық түріндегі элементке нөл емес ΔH°f беру немесе қосылысқа нөл беру.