กฎของเฮสส์

กฎของเฮสส์อธิบายวิธีหาเอนทัลปีที่เปลี่ยนไปของปฏิกิริยา โดยอาศัยการบวกรวมปฏิกิริยาอื่นที่ทราบค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงอยู่แล้ว หลักการนี้ใช้ได้เพราะค่า $\Delta H$ รวมขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ระบบใช้เปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง

สรุปสั้น ๆ คือ ถ้าสมการเคมีหลายสมการรวมกันได้เป็นปฏิกิริยาเป้าหมาย ค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงของสมการเหล่านั้นก็รวมกันได้เช่นกัน หลักนี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อสมการเหล่านั้นอธิบายสารชนิดเดียวกัน อยู่ในสถานะทางกายภาพเดียวกัน และอยู่ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน

กฎของเฮสส์หมายถึงอะไรในเคมี

ลองนึกภาพว่าคุณพาระบบเคมีเดียวกันจากชุดสารตั้งต้นชุดหนึ่งไปเป็นชุดผลิตภัณฑ์ชุดหนึ่งด้วยสองเส้นทางที่ต่างกัน หากสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเหมือนกัน ค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงรวมก็ต้องเท่ากันด้วย

นี่จึงเป็นเหตุผลที่กฎของเฮสส์มีประโยชน์ในเทอร์โมเคมี ค่าเอนทัลปีของบางปฏิกิริยาวัดโดยตรงได้ยาก แต่การเปลี่ยนแปลงโดยรวมแบบเดียวกันมักสร้างขึ้นได้จากปฏิกิริยาที่ทราบค่า $\Delta H$ อยู่แล้ว

แนวคิดนี้มักเขียนเป็น

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

ข้อความนี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อสมการที่ปรับแล้วสามารถรวมกันเป็นปฏิกิริยาเป้าหมายได้จริง

วิธีคำนวณ $\Delta H$ ด้วยกฎของเฮสส์

ใช้ลำดับดังนี้:

1. เขียนปฏิกิริยาเป้าหมายให้ตรงตามที่ต้องการทุกประการ
2. เลือกปฏิกิริยาที่ทราบค่าแล้วซึ่งสามารถจัดเรียงใหม่ให้ได้ปฏิกิริยานั้น
3. หากต้องกลับทิศสมการใด ให้กลับเครื่องหมายของ $\Delta H$ ด้วย
4. หากต้องคูณสมการใด ให้คูณค่า $\Delta H$ ด้วยตัวคูณเดียวกัน
5. บวกสมการทั้งหมดเข้าด้วยกัน แล้วตัดชนิดสารที่ปรากฏอยู่ทั้งสองข้างออก

พีชคณิตของสมการเคมีและพีชคณิตของ $\Delta H$ ต้องสอดคล้องกันเสมอ ถ้าคุณเปลี่ยนอย่างหนึ่ง อีกอย่างก็ต้องเปลี่ยนในแบบเดียวกัน

ตัวอย่างทำโจทย์: หา $\Delta H$ ของการเกิด $CO_2$

สมมติว่าคุณต้องการหาเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยา

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

และคุณทราบปฏิกิริยาสองสมการนี้:

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

ตอนนี้ให้นำมาบวกกัน:

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

$CO(g)$ ถูกตัดออกได้ เพราะปรากฏอยู่ทั้งสองข้างของสมการ ส่วน $\frac{1}{2}O_2(g)$ สองพจน์รวมกันเป็น $O_2(g)$ ดังนั้นปฏิกิริยารวมจึงกลายเป็น

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

จากนั้นบวกค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลง:

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

ดังนั้นเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงของการเกิด $CO_2(g)$ จากกราไฟต์และออกซิเจนคือ

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

นี่คือรูปแบบหลักของกฎของเฮสส์ คุณไม่จำเป็นต้องมีสูตรใหม่ทุกครั้ง สิ่งที่ต้องมีคือสมการที่รวมกันได้เป็นปฏิกิริยาเป้าหมาย พร้อมกับการเปลี่ยนเครื่องหมายและการตัดพจน์อย่างระมัดระวัง

ทำไมเอนทัลปีจึงบวกกันได้แบบนี้

กฎของเฮสส์ใช้ได้เพราะเอนทัลปีเป็นฟังก์ชันสถานะ ฟังก์ชันสถานะขึ้นอยู่กับตัวสถานะเอง ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าระบบไปถึงสถานะนั้นได้อย่างไร

นี่คือความแตกต่างสำคัญจากปริมาณที่ขึ้นอยู่กับเส้นทาง หากสองเส้นทางเริ่มต้นและสิ้นสุดที่สถานะเดียวกัน ค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงรวมของทั้งสองเส้นทางก็ต้องเท่ากัน ถ้าไม่เป็นเช่นนั้น จะเกิดวัฏจักรพลังงานที่ขัดแย้งกันได้

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในกฎของเฮสส์

ลืมเปลี่ยนเครื่องหมายเมื่อกลับทิศปฏิกิริยา

ถ้าคุณกลับด้านสมการเคมี ค่า $\Delta H$ ที่สอดคล้องกันก็ต้องเปลี่ยนเครื่องหมายด้วย ขั้นคายความร้อนที่ถูกกลับทิศจะกลายเป็นขั้นดูดความร้อน และในทางกลับกัน

ลืมปรับค่า $\Delta H$ ตามสัดส่วน

ถ้าคุณคูณสมการปฏิกิริยาด้วย $2$ คุณต้องคูณค่า $\Delta H$ ด้วย $2$ เช่นกัน ค่าเอนทัลปีเปลี่ยนแปลงแปรผันตามปริมาณของปฏิกิริยาตามที่เขียนไว้

ตัดชนิดสารผิด

ให้ตัดชนิดสารออกได้ก็ต่อเมื่อมันปรากฏอยู่คนละข้างของสมการหลังจากจัดสมการแล้วเท่านั้น ถ้ามันอยู่ข้างเดียวกันในสองสมการ ก็จะตัดกันไม่ได้

มองข้ามสถานะทางกายภาพ

สถานะมีความสำคัญในเทอร์โมเคมี $H_2O(l)$ และ $H_2O(g)$ ใช้แทนกันไม่ได้ และการใช้สถานะผิดอาจทำให้ได้ทั้งปฏิกิริยาเป้าหมายและค่าเอนทัลปีที่ผิด

กฎของเฮสส์มีประโยชน์เมื่อใด

กฎของเฮสส์ใช้เมื่อเอนทัลปีของปฏิกิริยาหนึ่งวัดโดยตรงได้ยาก แต่ทราบข้อมูลของปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องอยู่แล้ว หลักนี้มักพบร่วมกับเอนทัลปีการเกิด ข้อมูลการเผาไหม้ และวัฏจักรของปฏิกิริยาในวิชาเคมีเบื้องต้น

นอกจากนี้ยังเป็นวิธีที่ดีในการตรวจสอบการให้เหตุผลทางเทอร์โมเคมีด้วย หากสมการยังรวมกันเป็นปฏิกิริยาเป้าหมายไม่ได้อย่างสมบูรณ์ ผลรวมของเอนทัลปีก็ยังไม่พร้อมใช้งาน

ลองทำโจทย์เทอร์โมเคมีที่คล้ายกัน

ลองสร้างโจทย์ของคุณเองโดยเริ่มจากปฏิกิริยาเป้าหมายและสมการเทอร์โมเคมีที่ทราบอยู่สามสมการ จากนั้นดูว่าคุณต้องกลับทิศหรือคูณสมการใดก่อนนำมาบวกกันหรือไม่ หากต้องการศึกษาต่อในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง ลองเปรียบเทียบกับ เอนทัลปีและเอนโทรปี เพื่อให้เห็นว่าบทบาทของ $\Delta H$ เชื่อมโยงกับภาพรวมของอุณหพลศาสตร์อย่างไร