Prawo Hessa

Prawo Hessa wyjaśnia, jak wyznaczyć zmianę entalpii reakcji przez dodawanie innych reakcji o znanych zmianach entalpii. Działa to dlatego, że całkowite $\Delta H$ zależy od stanu początkowego i końcowego, a nie od drogi między nimi.

Krótko mówiąc: jeśli równania chemiczne sumują się do reakcji docelowej, to ich zmiany entalpii również się sumują. Jest to poprawne tylko wtedy, gdy równania opisują te same substancje w tych samych stanach skupienia i w tych samych warunkach.

Co oznacza prawo Hessa w chemii

Wyobraź sobie, że ten sam układ chemiczny przechodzi od jednego zestawu reagentów do jednego zestawu produktów dwiema różnymi drogami. Jeśli stan początkowy i końcowy są takie same, to całkowita zmiana entalpii także jest taka sama.

Dlatego prawo Hessa jest użyteczne w termochemii. Niektóre entalpie reakcji trudno zmierzyć bezpośrednio, ale tę samą całkowitą zmianę można często zbudować z reakcji, których wartości $\Delta H$ są już znane.

Tę ideę zwykle zapisuje się jako

$$\Delta H_{overall} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 + \cdots$$

To stwierdzenie ma zastosowanie tylko wtedy, gdy odpowiednio przekształcone równania rzeczywiście łączą się w reakcję docelową.

Jak obliczać $\Delta H$ za pomocą prawa Hessa

Zastosuj tę kolejność:

1. Zapisz dokładnie reakcję docelową.
2. Wybierz znane reakcje, które można przekształcić tak, aby ją otrzymać.
3. W razie potrzeby odwróć dowolną reakcję i zmień znak $\Delta H$.
4. W razie potrzeby pomnóż dowolną reakcję i pomnóż $\Delta H$ przez ten sam współczynnik.
5. Dodaj równania i skróć substancje występujące po obu stronach.

Algebra równań i algebra z $\Delta H$ muszą pozostać zgodne. Jeśli zmieniasz jedno, drugie musisz zmienić w ten sam sposób.

Przykład: wyznaczanie $\Delta H$ tworzenia $CO_2$

Załóżmy, że chcesz obliczyć zmianę entalpii dla reakcji

$$C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$$

i znasz te dwie reakcje:

$$C(graphite) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g) \qquad \Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ/mol}$$ $$CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \qquad \Delta H = -283.0\ \mathrm{kJ/mol}$$

Teraz je dodaj:

$$\begin{aligned} C(graphite) + \frac{1}{2}O_2(g) &\rightarrow CO(g) \\ CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) &\rightarrow CO_2(g) \end{aligned}$$

$CO(g)$ się skraca, ponieważ występuje po obu stronach. Dwa wyrażenia $\frac{1}{2}O_2(g)$ sumują się do $O_2(g)$, więc reakcja całkowita przyjmuje postać

$$C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$$

Następnie dodaj zmiany entalpii:

$$\Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ/mol} + (-283.0\ \mathrm{kJ/mol}) = -393.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

Zatem zmiana entalpii tworzenia $CO_2(g)$ z grafitu i tlenu wynosi

$$\Delta H = -393.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

To jest podstawowy schemat prawa Hessa. Nie potrzebujesz za każdym razem nowego wzoru. Potrzebujesz równań, które sumują się do reakcji docelowej, oraz uważnej zmiany znaków i skracania składników.

Dlaczego entalpię można dodawać w ten sposób

Prawo Hessa działa, ponieważ entalpia jest funkcją stanu. Funkcja stanu zależy od samego stanu, a nie od tego, jak układ do niego doszedł.

To główna różnica w porównaniu z wielkością zależną od drogi przemiany. Jeśli dwie drogi zaczynają się i kończą w tych samych stanach, ich całkowita zmiana entalpii musi być taka sama. Gdyby tak nie było, można by tworzyć niespójne cykle energetyczne.

Typowe błędy przy stosowaniu prawa Hessa

Zapominanie o zmianie znaku przy odwracaniu reakcji

Jeśli odwracasz równanie chemiczne, odpowiadające mu $\Delta H$ musi zmienić znak. Odwrócony etap egzotermiczny staje się endotermiczny i odwrotnie.

Zapominanie o skalowaniu $\Delta H$

Jeśli mnożysz reakcję przez $2$, musisz też pomnożyć $\Delta H$ przez $2$. Zmiana entalpii skaluje się wraz z ilością zapisanej reakcji.

Skracanie niewłaściwych substancji

Skracaj substancję tylko wtedy, gdy po uporządkowaniu równań występuje po przeciwnych stronach. Jeśli pojawia się po tej samej stronie w dwóch równaniach, nie można jej skrócić.

Ignorowanie stanów skupienia

Stany skupienia mają znaczenie w termochemii. $H_2O(l)$ i $H_2O(g)$ nie są zamienne, a użycie niewłaściwego stanu może dać błędną reakcję docelową i błędną entalpię.

Kiedy prawo Hessa jest przydatne

Prawo Hessa stosuje się wtedy, gdy entalpię reakcji trudno zmierzyć bezpośrednio, ale znane są reakcje powiązane. Często pojawia się przy entalpiach tworzenia, danych spalania i cyklach reakcyjnych w chemii ogólnej.

Jest też dobrym sprawdzianem poprawności rozumowania termochemicznego. Jeśli równania nie sumują się czysto do reakcji docelowej, suma entalpii nie jest jeszcze gotowa.

Spróbuj podobnego zadania z termochemii

Spróbuj własnej wersji, zaczynając od reakcji docelowej i trzech znanych równań termochemicznych, a następnie sprawdź, czy przed dodaniem trzeba któreś z nich odwrócić lub przeskalować. Jeśli chcesz zrobić kolejny powiązany krok, porównaj to z entalpią i entropią, aby rola $\Delta H$ lepiej wpisywała się w szerszy obraz termodynamiki.