2.7. Следствие из закона Гесса

Расчеты теплот химических реакций с использованием закона Гесса значительно упрощают, если воспользоваться так называемыми стандартными теплотами образования и стандартными теплотами горения.

а) Расчет теплового эффекта химической реакции по стандартным теплотам образования

Стандартной теплотой образования вещества называют теплоту, которая выделяется или поглощается при образовании одного моля данного вещества в стандартном состоянии из простых веществ, взятых в стандартном состоянии при данной температуре.

Согласно приведенной формулировке теплотой образования СаСо₃будет тепловой эффект следующей реакции:

Са _(ТВ)+ 3/2О_{2 (Г)} + С_(граф)= СаСО_{3 (ТВ)};Н= -1207 кДж/моль.

Из закона Гесса следует, что теплота химической реакции равна алгебраической сумме теплот образования реагирующих веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов, причем теплоты образования продуктов реакции берут со знаком плюс, а теплоты образования исходных веществ со знаком минус.

Н _{реакции}=n_iН_обр.(прод.) -n_iН_обр(исходн). (2.23)

Рассмотрим в качестве примеров реакцию получения глюкозы из СО₂ и Н₂О.

Суммарное уравнение реакции можно записать:

6СО_{2 (Г)} + Н₂О_(Ж)= С₆Н₁₂О_{6 (Т)}+ 6О_{2 (Г)};Н_х.

Приведенное уравнение можно получить следующим образом:

1. С _(Т)+ О_{2 (Г)}= СО_{2 (Г)};Н₁= -395,23 кДж/моль;

2. Н_{2 (Г)}+ 1/2 О_{2 (Г)}= H₂O_(Ж);Н₂ = -286 кДж/моль;

3. 6С _(Т)+ 3 О_{2 (Г)}+ 6 Н_{2 (Г)}= С₆Н₁₂О_{6 (Т)};Н₃ = -1161 кДж/моль.

Умножим уравнение 1 и 2 на 6, а затем их сумму вычтем из уравнения 3:

6С+3О_{2 (Г)} 6Н₂-6С-6О₂-6Н₂-3О₂ = -СО₂-6Н₂О+С₆Н₁₂О₆+Н₃ -6Н₁-6Н_2.

После алгебраических преобразований получим:

6 СО_{2 (Г)}+ 6 H₂O_(Ж)= С₆Н₁₂О_{6 (Т)}+ 6 О_{2 (Г)}+Н₃ - 6(Н₁ - Н₂).

Воспользовавшись стандартными значениями теплот образования участников реакции, получим:

6 СО_{2 (Г)}+ 6 H₂O_(Ж)= С₆Н₁₂О_{6 (Т)}+ 6 О_{2 (Г)};Н_х =2537 кДж.

б) Расчеты теплот сгорания

Стандартной теплотой сгорания называют теплоту выделяющегося при окислении одного моля вещества, взятого в стандартном состоянии при данной температуре, кислородом до конечных продуктов окисления.

Для большинства органических соединений конечными продуктами окисления являются СО₂, Н₂О, SO₂,N₂.

Из закона Гесса следует, что теплота химической реакции равна алгебраической сумме теплот сгорания реагирующих веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов, причем теплоты сгорания продуктов реакции берут со знаком минус, а теплоты сгорания исходных веществ – со знаком плюс:

Н _{реакции}=n_iН_сгор(исходн) -n_iН_сгор.(прод.). (2.24)

Стандартные теплоты образования используют обычно при вычислении теплот реакций с участием неорганических веществ, а стандартные теплоты сгорания – при расчете теплот реакций с участием органических веществ.

в) Теплота нейтрализации

Теплотой нейтрализации называют теплоту, необходимую для нейтрализации одного моль-эквивалента кислоты одним моль-эквивалентом основания.

Теплота нейтрализации сильных кислот сильными основаниями не зависит от природы кислоты и основания, например:

Na⁺+ OH^-+ H⁺+ Cl^-= Na⁺+ Cl^-+ H₂O;Н = - 57,30 кДж/моль;

H⁺+ OH^-= H₂O;Н₁= -57,32 кДж/моль;

К⁺+ OH^-+ H⁺+ Cl^-= К⁺+ Cl^-+ H₂O;Н₂= - 57,73 кДж/моль;

H⁺+ OH^-= H₂O;Н₂= -57,73 кДж/моль.

Тепловой эффект приведенных реакций практически одинаков и равен 57,52 кДж/моль.

Такое постоянство легко объяснить тем, что сильные кислоты и основания в водных растворах практически полностью ионизированы и реакция нейтрализации сводится к взаимодействию ионов H⁺и OH^-:

H⁺+ OH^-= H₂O;Н = -57,52 кДж/моль.

В случае реакции нейтрализации слабых кислот и слабых оснований такого постоянства не наблюдается, так как часть тепла расходуется на ионизацию слабой кислоты или слабого основания.

г) Теплота растворения

В зависимости от природы растворенного вещества и природы растворителя процесс растворения сопровождается выделением или поглощением тепла.

Мольной теплотой растворения называют количество тепла, выделяющееся и поглощающееся при растворении одного моля вещества в таком объеме растворителя, когда его дальнейшее прибавление не вызывает выделения или поглощения тепла.

Обычно при определении теплоты растворения берется более чем 300‑кратный избыток растворителя.

Теплота растворения твердых тел представляет собой теплоту разрушения кристаллической решетки Нри теплоту сольватацииНс:

Н_раств.=Нр +Нс.

Для разрушения кристаллической решетки необходимо затратить некоторое количество энергии, поэтому теплота этого процесса будет положительна.

Сольватация всегда сопровождается выделением тепла и, следовательно, теплота этого процесса отрицательна. Отсюда следует, что теплота растворения может быть как положительной, так и отрицательной.

Отрицательная теплота растворения указывает на то, что количество теплоты, выделяющееся при сольватации, больше, чем энергии, необходимой для разрушения кристаллической решетки. В случае положительной теплоты растворения количество энергии, необходимое для разрушения кристаллической решетки, больше энергии, которая выделяется при сольватации.

В тех случаях, когда в качестве растворителя используют воду, теплота, которая выделяется при взаимодействии растворенного вещества с растворителем, называется теплотой гидратации.

Теплоту гидратации, в соответствии с законом Гесса, рассчитывают по разности между теплотой растворения безводного соединения и теплотой растворения гидрата.