Номер 4, страница 127 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 18. Определение тепловых эффектов химических реакций. Закон Гесса - номер 4, страница 127.

Условие.

4. Сформулируйте закон Гесса и следствия из него. Каким образом на основании этого закона рассчитывают тепловой эффект химической реакции?

Решение.

Решение 2.

Закон Гесса и следствия из него

Закон Гесса, являющийся основным законом термохимии, был сформулирован русским химиком Г. И. Гессом в 1840 году. Он гласит:

Тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических (p=const, T=const) или изохорно-изотермических (V=const, T=const) условиях, зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути протекания процесса, то есть от числа и характера промежуточных стадий.

Это означает, что если из одних и тех же исходных веществ можно получить одни и те же конечные продукты разными путями (через разные промежуточные реакции), то суммарный тепловой эффект для всех этих путей будет одинаковым. Закон Гесса является прямым следствием первого начала термодинамики, поскольку энтальпия ($ \Delta H $) и внутренняя энергия ($ \Delta U $) являются функциями состояния системы.

Из закона Гесса вытекают важные следствия, которые широко используются для термохимических расчетов.

Первое следствие:

Тепловой эффект (изменение энтальпии) химической реакции $ \Delta H_{р-ции}^0 $ равен сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ (реагентов) с учетом их стехиометрических коэффициентов.

Математически это выражается формулой:

$ \Delta H_{р-ции}^0 = \sum (n \cdot \Delta H_{f, \text{продукты}}^0) - \sum (m \cdot \Delta H_{f, \text{реагенты}}^0) $

где $ n $ и $ m $ – стехиометрические коэффициенты продуктов и реагентов соответственно, а $ \Delta H_f^0 $ – стандартная энтальпия (теплота) образования вещества. Стандартной энтальпией образования называют тепловой эффект реакции образования 1 моль сложного вещества из простых веществ, находящихся в их наиболее устойчивых стандартных состояниях. Стандартные энтальпии образования простых веществ принимаются равными нулю.

Второе следствие:

Тепловой эффект химической реакции $ \Delta H_{р-ции}^0 $ равен сумме стандартных энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы стандартных энтальпий сгорания продуктов реакции с учетом их стехиометрических коэффициентов.

Математически это выражается формулой:

$ \Delta H_{р-ции}^0 = \sum (m \cdot \Delta H_{c, \text{реагенты}}^0) - \sum (n \cdot \Delta H_{c, \text{продукты}}^0) $

где $ \Delta H_c^0 $ – стандартная энтальпия (теплота) сгорания вещества. Это следствие особенно удобно для расчетов тепловых эффектов реакций с участием органических соединений.

Третье следствие (операции с термохимическими уравнениями):

С термохимическими уравнениями можно производить алгебраические операции: складывать, вычитать, умножать на числовые коэффициенты. Тепловые эффекты при этом изменяются соответствующим образом. Если направление реакции меняется на противоположное, то знак ее теплового эффекта также меняется: $ \Delta H_{прямой} = -\Delta H_{обратной} $.

Ответ: Закон Гесса утверждает, что тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ и не зависит от пути процесса. Следствия из закона позволяют: 1) вычислять тепловой эффект реакции как разность сумм стандартных энтальпий образования продуктов и реагентов; 2) вычислять тепловой эффект реакции как разность сумм стандартных энтальпий сгорания реагентов и продуктов; 3) алгебраически комбинировать термохимические уравнения для нахождения неизвестных тепловых эффектов.

Расчет теплового эффекта химической реакции на основании закона Гесса

На основании закона Гесса и, в частности, его следствий, тепловой эффект химической реакции рассчитывают, как правило, с использованием стандартных энтальпий образования веществ.

Алгоритм расчета включает следующие шаги:

1. Запись уравнения реакции. Необходимо записать сбалансированное (с расставленными коэффициентами) уравнение химической реакции с указанием агрегатных состояний всех участников. Например, для обобщенной реакции:

$ aA + bB \rightarrow cC + dD $

2. Поиск справочных данных. Используя справочные таблицы термохимических величин, находят значения стандартных энтальпий образования $ \Delta H_f^0 $ (обычно при стандартных условиях: 298 К и 101,3 кПа) для всех продуктов (C, D) и реагентов (A, B). Необходимо помнить, что стандартная энтальпия образования простых веществ в их наиболее устойчивом состоянии равна нулю (например, $ \Delta H_f^0(O_2(г)) = 0 $, $ \Delta H_f^0(C(\text{графит})) = 0 $).

3. Расчет по формуле. Найденные значения подставляют в формулу, являющуюся математическим выражением первого следствия из закона Гесса:

$ \Delta H_{р-ции}^0 = \sum (n \cdot \Delta H_{f, \text{продукты}}^0) - \sum (m \cdot \Delta H_{f, \text{реагенты}}^0) $

Для приведенной выше условной реакции формула примет вид:

$ \Delta H_{р-ции}^0 = [c \cdot \Delta H_f^0(C) + d \cdot \Delta H_f^0(D)] - [a \cdot \Delta H_f^0(A) + b \cdot \Delta H_f^0(B)] $

Полученное значение $ \Delta H_{р-ции}^0 $ и есть искомый тепловой эффект реакции. Если $ \Delta H_{р-ции}^0 < 0 $, реакция является экзотермической (протекает с выделением тепла). Если $ \Delta H_{р-ции}^0 > 0 $, реакция является эндотермической (протекает с поглощением тепла).

Также возможен расчет путем алгебраического комбинирования термохимических уравнений известных реакций для получения уравнения искомой реакции.

Ответ: Тепловой эффект химической реакции рассчитывают на основе следствия из закона Гесса путем вычитания суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ из суммы стандартных энтальпий образования продуктов реакции, с обязательным учетом стехиометрических коэффициентов. Необходимые для расчета значения стандартных энтальпий образования берутся из справочных термохимических таблиц.