Prawo Hessa to podstawowe prawo termochemii, wg którego ciepło reakcji chemicznej, przebiegającej w warunkach izochorycznych lub izobarycznych, gdy układ wykonuje tylko pracę objętościową, nie zależy od stanów pośrednich, tj. od drogi reakcji, a tylko od początkowego i końcowego stanu układu i jest równe sumie algebraicznej efektów cieplnych poszczególnych etapów reakcji.

Prawo Hessa pozwala zatem obliczać ciepło reakcji chemicznej, którego nie można zmierzyć bezpośrednio, gdy są znane takie wartości – jak entalpia tworzenia lub spalania poszczególnych reagentów – odnoszące się do stanu standardowego – temperatury $25°\text{C}$, ciśnienia $\mathrm{1013,25} \text{hPa}$.

Energia wiązań to średnia energia potrzebna do zerwania wiązania i przekształcenia cząsteczki gazowego związku chemicznego w obojętne atomy. Energię wiązań wyznacza się w odniesieniu do $1$ mola wiązań.

Energia wiązania to taka, którą trzeba dostarczyć, aby zerwać wiązanie chemiczne, więc przyjmuje ona wartości dodatnie i wyrażana jest zazwyczaj w jednostkach $\frac{\text{kJ}}{\text{mol wiązań}}$.

Metodę tę wykorzystamy do obliczenia standardowej entalpii reakcji $\Delta H°$, zachodzącej pomiędzy wodorem a tlenem w tzw. mieszaninie piorunującej. Jej nazwa nawiązuje do posiadanych właściwości wybuchowych. Po jej zapaleniu następuje gwałtowne spalanie wodoru (wybuch), a produktem tej reakcji jest para wodna:

Entalpię można obliczyć korzystając z entalpii tworzenia lub spalania poszczególnych reagentów lub wykorzystując średnie energie poszczególnych wiązań chemicznych.

Zgodnie z prawem Hessa, które głosi, że zmiana entalpii reakcji nie zależy od drogi reakcji, lecz od stanu początkowego i stanu końcowego, energie tych dwóch sposobów otrzymywania wody są bardzo zbliżone. W takim razie jeśli będziemy znali entalpięstandardowa entalpia spalaniaentalpię wyliczoną na podstawie energii wiązań, to będzie ona równa entalpii reakcji wodoru z tlenem.

Poniżej podane są średnie energie wiązań, czyli porcje energii niezbędne do rozerwania $1$ mola danych wiązań, w przypadku ich występowania w cząsteczkach w gazowym stanie skupienia:

W przedstawionym poniżej schemacie powstawania wody dochodzi do rozerwania dwóch moli wiązań w cząsteczkach wodoru oraz jednego mola wiązań w cząsteczkach tlenu. W wyniku reakcji powstają cztery mole wiązań $\text{O}—\text{H}$ (w powstałych dwóch molach cząsteczek wody).

R1I4eTknOI4Ac

Schemat przedstawiający równanie reakcji dwóch cząsteczek wodoru z cząsteczką wody, w wyniku której powstają dwie cząsteczki wody. Reagenty zapisane są za pomocą wzorów strukturalnych. Dwa <math aria‑label="H wiązanie pojedyncze H">H—H plus <math aria‑label="O wiązanie podwójne O">O=O, strzałka w prawo, dwa <math aria‑label="H wiązanie pojedyncze O wiązanie pojedyncze H">H—O—H. Pod dwoma cząsteczkami wodoru zapis $2\Delta H_1$, pod cząsteczką tlenu zapis $\Delta H_2$, pod dwoma cząsteczkami wody zapis $-4\Delta H_3$

RmGlOJmqfwj3g

Ilustracja przedstawia następujące równanie reakcji: H wiązanie pojedyncze H, strzałka w prawo, nad strzałką $\Delta H_1$ za strzałką dwa H.

R1XzSgum4t3eo

Ilustracja przedstawia następujące równanie reakcji: O wiązanie podwójne O, strzałka w prawo, nad strzałką $\Delta H_2$, za strzałką dwa O.

R1CTFhYlk3H3z

Ilustracja przedstawia następujące równanie reakcji: H wiązanie pojedyncze O, strzałka w prawo, nad strzałką $\Delta H_3$, za strzałką H plus O.

Zgodnie z prawem Hessa, entalpia reakcji pomiędzy wodorem a tlenem, wyliczona przy pomocy entalpii tworzenia czy entalpii spalania, powinna mieć zbliżoną wartość do zmiany entalpii, wynikającej z rozerwania i powstania nowych wiązań.

Nie będzie ona taka sama, ponieważ energia danego wiązania, którą możesz znaleźć w tabelach chemicznych, to energia będąca uśrednieniem energii tego wiązania w różnych cząsteczkach chemicznych – a więc w zależności od otoczenia, energie wiązań między tymi samymi atomami będą się nieco różnić.

Przykładowo wiązanie $\text{O}—\text{H}$, występujące w cząsteczce wody, będzie miało tak naprawdę nieznacznie inną energię od wiązania $\text{O}—\text{H}$ w cząsteczce metanolu.

Pomimo tego zastrzeżenia, otrzymana wartość entalpii reakcji obliczona ze średnich energii wiązań powinna być bliska wartości oczekiwanej. Wzór, który pozwala na wyznaczenie entalpii reakcji przy użyciu stabelaryzowanych energii wiązań chemicznych, wygląda dla omawianego schematu reakcji tworzenia wody następująco:

Entalpia tej reakcji, wyznaczona w oparciu o energię wiązań, jest równa $-489 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$.

Teraz obliczmy entalpię tej reakcji, korzystając z molowej entalpii tworzenia poszczególnych reagentów (dla cząsteczek wodoru i tlenu będzie ona równa zero, ponieważ dokładnie tyle wynosi entalpia tworzenia dla pierwiastków w stanie najtrwalszym). Dla wody molowa entalpia tworzenia w stanie gazowym wynosi $-\mathrm{241,6} \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$.

Jak widzisz, entalpia reakcji wyliczona przy pomocy energii wiązań nieznacznie różni się od tej wyliczonej przy użyciu entalpii tworzenia. Jest to jednak różnica znikoma, wynikająca z uśrednienia energii wiązań. Można więc powiedzieć, że prawo Hessa znajduje tutaj swoje zastosowanie.

Ćwiczenie 1

Na podstawie entalpii poniższej reakcji oraz podanych energii wiązań, wyznacz energię wiązania $\text{C}=\text{O}$ w cząsteczce ${\text{CO}}_2$.

$${\text{CH}}_{4\left(\text{g}\right)}+2 {\text{O}}_{2\left(\text{g}\right)}\to 2 {\text{H}}_2{\text{O}}_{\left(\text{g}\right)}+{\text{CO}}_{2\left(\text{g}\right)} \Delta H=-802 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

wiązanie	energia $\left[\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]$
$\text{C}—\text{H}$	$\Delta H_1=415$
$\text{O}=\text{O}$	$\Delta H_2=499$
$\text{O}—\text{H}$	$\Delta H_3=465$

R1N5oFBx0hqgV

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

---

R16oRkYmXe4ey

(Uzupełnij).

Pokaż rozwiązanie

R5uhr6tKrXBYg

Schemat reakcji zawierający rozpisane energie wiązań dla poszczególnych reagentów. Przedstawia za pomocą wzorów strukturalnych reakcję cząsteczki metanu ${\text{CH}}_4$ z dwiema cząsteczkami tlenu ${\text{O}}_2$, w wyniku reakcji powstają dwie cząsteczki wody ${\text{H}}_2\text{O}$ i jedna cząsteczka tlenku węgla(<math aria‑label="dwa">II) ${\text{CO}}_2$. Cząsteczka metanu przedstawiona jako atom węgla C z czterema wiązaniami do atomów wodoru H. Cząsteczka tlenu przedstawiona jako O, wiązanie podwójne, O. Cząsteczka wody przedstawiona jako H, wiązanie pojedyncze, O, wiązanie pojedyncze, H. Cząsteczka tlenku węgla <math aria‑label="dwa">II przedstawiona jako O, wiązanie podwójne, C, wiązanie podwójne, O. Od cząsteczki metanu strzałka ukośna w dół z opisem $4\Delta H_1$, za strzałką $4 \text{H}+\text{C}$. Od dwóch cząsteczek tlenu strzałka ukośna w dół z podpisem $2\Delta H_2$, za strzałką $4 \text{O}$. Od tego wyrażenia $4 \text{O}$ strzałka ukośna w górę do dwóch cząsteczek wody, podpis strzałki $-4\Delta H_3$. Ukośna strzałka w górę w kierunku cząsteczki tlenku węgla(<math aria‑label="dwa">II), podpis strzałki $-2\Delta H_4$.

$$4\Delta H_1+2\Delta H_2-4\Delta H_3-2\Delta H_4=-802 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

$$4·415 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2·499 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}-4·465 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}-2\Delta H_4=-802 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

$$2\Delta H_4=1660 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}+998 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}+802 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}-1860 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

$$2\Delta H_4=1600 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

$$\Delta H_4=800 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$$

Szukana energia wiązania $\text{C}=\text{O}$ w ${\text{CO}}_2$ wynosi $800 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Paula J., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa, 2015.

Atkins P., Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 1999.

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.