Закон Гесса является фундаментальным законом термохимии и формулируется следующим образом: изменение энтальпии химической реакции не зависит от пути превращения исходных веществ в продукты, а определяется только начальными и конечными состояниями системы. Этот принцип лежит в основе расчёта тепловых эффектов реакций, которые невозможно измерить напрямую.
Математически закон Гесса выражается через алгебраическую сумму энтальпий реакций: если процесс разлагается на несколько стадий, то суммарная энтальпия всей реакции равна сумме энтальпий отдельных стадий:
ΔHреакции = ∑ΔHi
где ΔHi — изменение энтальпии i-й реакции.
Энтальпия (H) — это термодинамическая функция состояния, зависящая только от состояния системы (температуры, давления, состава), но не от способа достижения этого состояния. Именно эта свойство позволяет применять закон Гесса к любым химическим реакциям, независимо от их механизма или числа стадий.
Для изотермических и изобарных процессов изменение внутренней энергии (U) и объёмной работы (PΔV) связано с энтальпией по формуле:
ΔH = ΔU + PΔV
Так как ΔH является функцией состояния, её значение одинаково для любого пути между исходными и конечными веществами.
1. Расчёт тепловых эффектов сложных реакций. Если прямая реакция трудноосуществима экспериментально, её тепловой эффект можно определить через промежуточные реакции, энтальпии которых известны:
A → B → C ⇒ ΔHA→C = ΔHA→B + ΔHB→C
2. Определение стандартных энтальпий образования. Энтальпия образования вещества (ΔHf∘) определяется как изменение энтальпии при образовании 1 моль соединения из простых веществ в стандартных условиях. Закон Гесса позволяет вычислять тепловые эффекты любой реакции через энтальпии образования реагентов и продуктов:
ΔHреакции∘ = ∑ΔHf∘(продукты) − ∑ΔHf∘(реагенты)
3. Расчёт тепловых эффектов горения. При горении сложных органических соединений непосредственное измерение теплового эффекта может быть затруднено. Закон Гесса позволяет разложить реакцию горения на последовательность известных стадий, что делает возможным вычисление ΔHгорения.
1. Независимость энтальпии реакции от механизма. Тепловой эффект химической реакции не зависит от числа промежуточных стадий, каталитических воздействий или путей превращения веществ. Это свойство облегчает прогнозирование термохимических характеристик сложных систем.
2. Аддитивность энтальпий. Энтальпии отдельных химических реакций складываются, что позволяет использовать их как «строительные блоки» для расчёта тепловых эффектов более сложных процессов.
3. Обратимость. Если реакция обратима, изменение энтальпии для обратного процесса равно по величине, но с противоположным знаком:
A → B ΔH ⇒ B → A ΔH = −ΔHA→B
4. Расчёт через реакции с известными тепловыми эффектами. С помощью закона Гесса можно составлять реакции, эквивалентные нужной реакции, комбинируя известные энтальпии. Этот метод используется для получения данных о реакциях, которые трудно провести экспериментально.
Расчёт теплового эффекта реакции образования воды: Известны реакции с образованием H2O из водорода и кислорода, а также промежуточные реакции. Суммирование энтальпий промежуточных стадий даёт ΔH реакции образования воды.
Определение энтальпии сгорания органических веществ: Для сложных органических соединений энтальпия сгорания рассчитывается через энтальпии сгорания отдельных компонентов, используя принцип аддитивности.
Расчёт тепловых эффектов гидролиза или нейтрализации: Закон Гесса позволяет вычислить ΔH реакции нейтрализации кислот и оснований через известные энтальпии образования реагентов и продуктов.
Закон Гесса обеспечивает системный подход к термохимии, позволяя предсказывать тепловые эффекты реакций без проведения сложных экспериментов. Он является основой для разработки химических технологий, анализа энергетической эффективности процессов и изучения реакционной способности веществ. Применение закона расширяет возможности расчёта энтальпий реакций для сложных органических и неорганических систем, что делает его ключевым инструментом в учебной и практической химии.