Przeczytaj

TermochemiatermochemiaTermochemia to dział chemii fizycznej, zajmujący się badaniem efektu cieplnegoefekt cieplnyefektu cieplnego reakcji chemicznej. Efekt cieplny reakcji może być wyznaczony doświadczalnie przy użyciu kalorymetrukalorymetrkalorymetru lub metodami obliczeniowymi. W przypadku, gdy efektu cieplnego nie można bezpośrednio zmierzyć, np. z powodu bardzo powolnego przebiegu procesu lub z powodu zachodzących reakcji ubocznych, to w takich przypadkach stosuje się prawo Hessa.

bg‑cyan

Prawo Hessa

Prawo Hessa jest konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki, wg której całkowita energia układuukładukładu izolowanego jest stała i nie zależy od zachodzących w nim przemian. Obliczenie standardowej entalpiientalpia (∆H)entalpii dowolnej reakcji chemicznej jest możliwe dzięki zastosowaniu prawa Hessa. Zgodnie z nim:

Hessa

Prawo: Hessa

zmiana entalpii, towarzysząca reakcji chemicznej (ciepło reakcji), nie zależy od drogi przemiany, a jedynie od efektów cieplnych stanów początkowego i końcowego układu.

RTzXNfuBxi7A31

Ilustracja czarno-biała przedstawiająca portret Germana Iwanowicza Hessa. Młody mężczyzna delikatnie się uśmiecha. Ma krótkie włosy, lekko falowane, wysokie czoło, baczki. Ubrany jest w marynarkę z szerokimi klapami, koszulę. Pod kołnierzem koszuli ma zawiązaną chustkę. — German Iwanowicz Hess (1802-1850)
Źródło: dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Z prawa można korzystać, jeśli znane są entalpie, np. tworzenia lub spalania wszystkich substratów lub produktów danej reakcji chemicznej (mogą to być też entalpie dowolnych innych reakcji, które pozwolą po właściwym przekształceniu uzyskać pożądaną reakcję). Entalpię określa się zazwyczaj dla warunków standardowych (T= 273,15 K (0°C) i ciśnienia (p= 1000 hPa). Efekt cieplny reakcji to zmiana entalpii układu w reakcji chemicznej w warunkach stałego ciśnienia.

R1KxAa95eVVJI1

Schemat przedstawiający stan początkowy, stan końcowy oraz etap pośredni. Od stanu początkowego po lewej stronie poprowadzona strzałka w prawo do stanu końcowego po prawej stronie, nad strzałką ∆Hx. Od stanu początkowego po lewej stronie poprowadzona strzałka do góry po skosie w prawą stronę do etapu pośredniego, nad strzałką ∆H1. Od etapu pośredniego poprowadzona strzałka w dół po skosie w prawą stronę do stanu końcowego, nad strzałką zapis ∆H2. Pod schematem równanie ∆Hx=∆H1+∆H2. — $∆ H$ - efekt cieplny reakcji; $∆ H_{1}$ $∆ H_{2}$ - efekt cieplny etapów pośrednich
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wzór, który pozwala na obliczenie entalpii reakcji chemicznej, przedstawia się następująco:

∆ H ° = Σ n ∆ H °_{p} - Σ n ∆ H °_{s}

gdzie:

$∆ H °$ – zmiana standardowej entalpii $[\frac{kJ}{mol}]$ ;
$n$ – liczba moli produktów lub substratów;
$Σ n ∆ H °_{p}$ – suma zmian standardowych entalpii tworzenia produktów;
$Σ n ∆ H °_{s}$ – suma zmian standardowych entalpii tworzenia substratów.

Prawo to umożliwia obliczenie efektów energetycznych reakcji, które są trudne lub czasami nawet niemożliwe do bezpośredniego przeprowadzenia.

Prawo Hessa można przedstawić graficznie:

RNaQljp7KWrdk

Schemat przedstawiający stan początkowy A, stany pośrednie B i C oraz stan końcowy D. Litery tworzą kwadrat tak, że a znajduje się w lewym górnym rogu, B w prawym górnym C w prawym dolnym i D w lewym dolnym. Od A do B poprowadzona strzałka, nad którą zapis <math aria‑label=„delta ha indeks dolny jeden koniec indeksu dolnego indeks górny stopień koniec indeksu górnego”>∆H1°. Od B do C poprowadzona strzałka, nad nią zapis <math aria‑label=„delta ha indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego indeks górny stopień koniec indeksu górnego”>∆H2°. Strzałka poprowadzona od C do D, nad nią zapis ∆H3°. Strzałka poprowadzona od A do D, nad nią zapis ∆H°. — A - stan początkowy, zawiera substraty w ilościach stechiometrycznych; B, C - stany pośrednie, z produktami pośrednimi w różnych ilościach; D – stan końcowy, zawiera produkty w ilościach stechiometrycznych.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Standardową entalpię reakcji chemicznej oblicza się, sumując efekty cieplne wszystkich procesów, których efektem jest utworzenie kolejnych stanów pośrednich:

∆ H ° = ∆ H °_{1} + ∆ H °_{2} + ∆ H °_{3}

Obliczenia z wykorzystaniem prawa Hessa można przeprowadzić, układając cykl termochemiczny lub odpowiednio sumując równania reakcji (dla ułatwienia, w zapisie stosuje się ułamkowe współczynniki stechiometryczne reakcji).

Z cyklu termochemicznego musi wynikać, że sumaryczne równanie stechiometryczne wszystkich etapów jest równaniem reakcji bezpośredniej. Projektując cykl termochemiczny, można pominąć realność chemiczną etapów. Kiedy znany jest efekt cieplny, można wykorzystać każdy etap do obliczeń. Wartości entalpii tworzenia znajdziemy w tablicach chemicznych. Ich znajomość umożliwia obliczanie efektów cieplnych wielu reakcji. Należy znać jedynie entalpię tworzenia każdego z reagentów.

Polecenie 1

Dana jest reakcja:

3 {KClO}_{4 (s)} + {KCl}_{(s)} \to 4 {KClO}_{3 (s)}

Oraz znane są standardowe entalpie poniższych reakcji:

2 K_{(s)} + {Cl}_{2}_{(g)} + 4 O_{2 (g)} \to 2 {KClO}_{4 (s)} ∆ H °_{1} = - 431,1 \frac{kJ}{mol {KClO}_{4 (s)}}

2 {KClO}_{3 (s)} \to 2 {KCl}_{(s)} + 3 O_{2 (g)} ∆ H °_{2} = - 45,3 \frac{kJ}{mol {KCl}_{(s)}}

2 K_{(s)} + {Cl}_{2}_{(g)} \to 2 {KCl}_{(s)} ∆ H °_{3} = - 436,5 \frac{kJ}{mol {KCl}_{(s)}}

Mając powyższe dane, oblicz zmianę entalpii ∆H° podanej reakcji.

RJdr6sbOumOtK

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

RCOdkVDIBJhJT

I SPOSÓB

Skonstruowanie cyklu termochemicznego dla analizowanej reakcji:

Mając powyższe dane, oblicz zmianę entalpii $Δ H °$ podanej reakcji.

R1EfUHueGrsAo

Ilustracja przedstawiająca schemat przebiegu reakcji. W lewym górnym rogu zapis 3 KClO4s + KCls, strzałka w prawo, nad strzałką ∆H°, za strzałką 4 KClO3s. Od pierwszej części równania 3 KClO4s + KCls strzałka poprowadzona w dół, nad strzałką -1,5 ∆H1°, za strzałką 3 Ks + 1,5 Cl2g + 6 O2g + KCls. Dalej od 3 Ks + 1,5 Cl2g + 6 O2g + KCls poprowadzona strzałka w prawo, nad strzałką 1,5 ∆H3°, za strzałką 4 KCls + 6 O2g, od którego poprowadzona strzałka w górę do 4 KClO3s, obok strzałki -2 ∆H2°. — Schemat przebiegu reakcji
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Δ H ° = - 1 \frac{1}{2} Δ H °_{1} + (- 2 Δ H °_{2}) + 1 \frac{1}{2} Δ H °_{3}

Δ H ° = - 1 \frac{1}{2} \cdot (- 431,1 kJ) + [- 2 \cdot (- 45,3 kJ)] + 1 \frac{1}{2} \cdot (- 436,5 kJ)

Δ H ° = 646,65 kJ - 90,6 kJ - 654,75 kJ = 98,7 kJ

II SPOSÓB

Należy przekształcić równania reakcji o znanych entalpiach w taki sposób, aby po dodaniu ich stronami otrzymać równanie reakcji, której poszukiwany jest efekt cieplny.

3 {KClO}_{4 (s)} \to 3 K_{(s)} + 1 \frac{1}{2} {Cl}_{2}_{(g)} + 6 O_{2 (g)} - 1 \frac{1}{2} ∆ H °_{1} = 646,65 kJ

4 {KCl}_{(s)} + 6 O_{2 (g)} \to 4 {KClO}_{3 (s)} - 2 ∆ H °_{2} = 90,6 kJ

2 K_{(s)} + {Cl}_{2}_{(g)} \to 2 {KCl}_{(s)} 1 \frac{1}{2} ∆ H °_{3} = - 654,75 kJ

Znając wszystkie efekty cieplne, można je dodać do siebie. Wynikiem będzie zmiana entalpii podanej w zadaniu reakcji chemicznej.

Δ H ° = - 1 \frac{1}{2} Δ H °_{1} + (- 2 Δ H °_{2}) + 1 \frac{1}{2} Δ H °_{3}

Δ H ° = 646,65 kJ - 90,6 kJ - 654,75 kJ = 98,7 kJ

Prawo Hessa umożliwia obliczenie ciepła tworzenia praktycznie każdego związku chemicznego, pomimo że pomiary doświadczalne ciepła tworzenia (ciepła reakcji syntezy) są w przypadku wielu reakcji chemicznych trudne do wykonania.

Słownik

termochemia

dział chemii fizycznej, który zajmuje się efektami energetycznymi reakcji chemicznych

układ

wyodrębniona część przestrzeni, której zawartość jest badana lub obserwowana

entalpia (∆H)

efekt cieplny równy energii wymienianej na sposób ciepła między układem a otoczeniem podczas przemiany zachodzącej w warunkach izobarycznych (pod stałym ciśnieniem)

efekt cieplny

efekt energetyczny reakcji jest definiowany jako ilość energii przekazanej z otoczenia do układu lub z układu do otoczenia

kalorymetr

przyrząd służący do pomiaru ilości ciepła, które zostało wydzielone lub pochłonięte przez układ podczas przemiany chemicznej lub fizycznej

Bibliografia

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

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Atkins P., Podstawy chemii fizycznej, Warszawa 1999.

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

Wprowadzenie

Film samouczek

Prawo Hessa

I SPOSÓB

II SPOSÓB

Słownik

Bibliografia