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.

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:

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.

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.

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

gdzie:

• $∆H°$ – zmiana standardowej entalpii $\left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$;

• $n$ – liczba moli produktów lub substratów;

• $\mathrm{\Sigma }n∆H{°}_{\mathrm{p}}$ – suma zmian standardowych entalpii tworzenia produktów;

• $\mathrm{\Sigma }n∆H{°}_{\mathrm{s}}$ – 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 ${\text{∆H}}_3\text{°}$. Strzałka poprowadzona od A do D, nad nią zapis $\text{∆H°}$.

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

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.

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.