Термохимия. Закон Гесса
Все химические и физико-химические процессы (растворение, кристаллизация, испарение, разбавление растворов и др.) сопровождаются выделением или поглощением тепла. При соблюдении определенных условий теплота процесса называется его тепловым эффектом.
Тепловой эффект химической реакции – это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при необратимом протекании процесса, когда единственным видом работы является работа расширения. При этом температуры исходных веществ и продуктов реакции должны оставаться постоянными.
Химические уравнения с указанием тепловых эффектов химических реакций и агрегатного состояния реагирующих веществ называются термохимическими уравнениями.
Примером термохимического уравнения может служить уравнение реакции окисления угля до углекислого газа:
.
Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты различных физико-химических процессов, называется термохимией. Основным законом термохимии является закон Гесса, который можно рассматривать как следствие первого начала термодинамики.
Закон Гесса – тепловой эффект химической реакции не зависит от пути протекания процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы.
Это означает, что если из данных исходных веществ можно получить одни и те же конечные продукты различными путями, то, независимо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой эффект будет одним и тем же.
Условия выполнения закона Гесса
Единственным видом работы является работа расширения (отсутствует полезная работа
).Давление и температура не меняются (р,Т=const) – изобарно-изотермический процесс.
Объем и температура не меняются (V,Т=const) – изохорно-изотермический процесс.
Термодинамическое обоснование закона Гесса
Для термодинамического обоснования закона Гесса применим уравнение первого начала термодинамики для двух наиболее часто встречающихся термодинамических процессов: изохорно-изотермического (V,Т=const) и изобарно-изотермического (р,Т=const).
1. Изохорно-изотермический процесс (V,Т = const)
Запишем первое начало термодинамики в дифференциальной форме: .
Поскольку
,
V
= const,
то dV
= 0, и
Математическая запись закона Гесса для изохорно-изотермического процесса:
. (1.19)
После интегрирования уравнения (1.5) получим:
. (1.20)
Следовательно, тепловой эффект химической реакции в изохорно-изотермическом процессе равен изменению внутренней энергии системы в этом процессе.
2. Изобарно-изотермический процесс (р,Т = const)
Запишем первое начало термодинамики в дифференциальной форме: .
При протекании химической реакции в изобарно-изотермических условиях работа расширения может совершаться лишь за счет изменения числа моль газообразных участников реакции.
Поскольку
,
то
, (1.21)
где Н – термодинамическая функция, которая называется энтальпия (теплосодержание).
Математическая запись закона Гесса для изобарно-изотермического процесса:
. (1.22)
После интегрирования уравнения (1.8) получим:
. (1.23)
Следовательно, тепловой эффект химической реакции в изобарно-изотермическом процессе равен изменению энтальпии системы в этом процессе.
Таким образом, в изохорно-изотермическом и изобарно-изотермическом процессах при отсутствии полезной работы теплота приобретает свойства функции состояния, то есть ее изменение не зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы. Это означает, что если из данных исходных веществ можно получить одни и те же конечные продукты различными путями, то, независимо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой эффект будет одним и тем же.