Тепловые эффекты и закон Гесса

9 заданий

Энтальпия образования и закон Гесса

Термит плавит сталь, а растворение нитрата аммония охлаждает пробирку. Количественная мера — энтальпия реакции \(\Delta_rH\): теплота, которую система получает при постоянном давлении. Если \(\Delta_rH < 0\), теплота выделяется (экзотермическая реакция), если \(> 0\) — поглощается.

history_eduЗакон Гесса

В 1840 году Герман Иванович Гесс, профессор Петербургского университета и горного института, сформулировал: тепловой эффект реакции не зависит от пути, по которому она идёт, а только от начального и конечного состояний. Закон появился раньше, чем закон сохранения энергии в общем виде (Майер, 1842; Гельмгольц, 1847), — химия опередила физику. Гесс же написал «Основания чистой химии» (1831) — учебник, выдержавший семь изданий, по которому учились несколько поколений русских химиков.

Из закона Гесса следует главный рабочий инструмент — энтальпии образования \(\Delta_fH^\circ\): энтальпии реакций образования 1 моль вещества из простых веществ в стандартном состоянии. Для простых веществ (\(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), графит, металлы) \(\Delta_fH^\circ = 0\).

\[\Delta_rH^\circ = \sum\nu_i\Delta_fH^\circ(\text{продукты}) - \sum\nu_j\Delta_fH^\circ(\text{реагенты})\]

edit_noteТермит

\(\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}\): \(\Delta_rH = -1675{,}7 - (-824{,}2) = -851{,}5\) кДж. На 1 кг смеси (160 + 54 г на моль реакции) выделяется почти 4000 кДж — хватает, чтобы расплавить железо и оксид алюминия.

scienceРеакции, тепловые эффекты которых стоит помнить

\(\ce{H2 + 1/2O2 -> H2O (ж)}\), \(\Delta H = -285{,}8\) кДж — водород как топливо: 142 кДж на грамм.
\(\ce{C + O2 -> CO2}\), \(-393{,}5\) кДж; \(\ce{C + 1/2O2 -> CO}\), \(-110{,}5\) кДж.
\(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), \(-65\) кДж — гашение извести: вода закипает.
\(\ce{N2 + O2 -> 2NO}\), \(+182{,}6\) кДж — реакция эндотермична, поэтому идёт лишь при 2000–3000 °C.
\(\ce{CaCO3 -> CaO + CO2}\), \(+179{,}2\) кДж — обжиг известняка требует топлива.

Знаки, коэффициенты, фазы

Энтальпия — экстенсивная величина: она пропорциональна количеству вещества. Удвоив коэффициенты, удваиваем \(\Delta H\); обратив уравнение, меняем знак.

\[\ce{2H2 + O2 -> 2H2O (ж)}\quad \Delta H = -571{,}6\ \text{кДж}\qquad \ce{2H2O (ж) -> 2H2 + O2}\quad \Delta H = +571{,}6\ \text{кДж}\]

Агрегатное состояние обязательно: образование жидкой воды выделяет на 44,0 кДж/моль больше, чем пара, — это теплота испарения. В задачах о сгорании уточняйте, в каком виде вода.

edit_noteЭнтальпия образования угарного газа

Сжечь графит строго до \(\ce{CO}\) невозможно — всегда получается смесь с \(\ce{CO2}\). Но энтальпию найти легко: \(\ce{C + O2 -> CO2}\), \(-393{,}5\) кДж; \(\ce{CO + 1/2O2 -> CO2}\), \(-283{,}0\) кДж. Вычтем второе из первого: \(\ce{C + 1/2O2 -> CO}\), \(\Delta H = -393{,}5 - (-283{,}0) = -110{,}5\) кДж.

boltКак складывать уравнения

Выпишите целевое уравнение. Для каждого вещества найдите «исходное» уравнение, где оно встречается один раз, и подберите множитель и знак так, чтобы вещество оказалось с нужной стороны и с нужным коэффициентом. Сложите уравнения и их \(\Delta H\) с теми же множителями. Лишние вещества должны сократиться — это проверка.

scienceЦикл Гесса для гидразина — ракетного топлива

\(\ce{N2H4 (ж) + O2 -> N2 + 2H2O (ж)}\), \(\Delta H = -622\) кДж.
\(\ce{N2H4 (ж) + 2H2O2 (ж) -> N2 + 4H2O (г)}\) — топливная пара, воспламеняющаяся при контакте; горячие газы создают тягу.
\(\ce{2N2H4 + N2O4 -> 3N2 + 4H2O}\) — пара «гидразин — азотный тетраоксид» в двигателях космических аппаратов.

Теплота сгорания и топливо

Теплоту сгорания удобно сравнивать на единицу массы: так выбирают топливо для ракет, автомобилей и электростанций.

Топливо	\(\Delta H\), кДж/моль	кДж/г
водород (→ жидкая вода)	−285,8	142
метан	−890,3	55,5
графит	−393,5	32,8
алюминий (→ \(\ce{Al2O3}\))	−837,9 на моль Al	31,1
магний (→ \(\ce{MgO}\))	−601,6	24,8

Металлы горят с выделением огромной теплоты — поэтому алюминиевый порошок добавляют в твёрдое ракетное топливо (ускорители «Спейс шаттла» — перхлорат аммония с алюминием), а магний — в осветительные составы.

scienceМеталлы как горючее

\(\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}\) — алюминиевая пудра в твёрдом ракетном топливе.
\(\ce{10Al + 6NH4ClO4 -> 4Al2O3 + 2AlCl3 + 12H2O + 3N2}\) — упрощённая схема горения смесевого топлива.
\(\ce{2Mg + CO2 -> 2MgO + C}\) — магний горит даже в углекислом газе: такой пожар нельзя тушить углекислотным огнетушителем.

auto_awesomeПочему водород — не идеальное топливо

На грамм водород даёт втрое больше энергии, чем бензин, но на литр — вчетверо меньше даже в жидком виде (плотность жидкого водорода 0,07 г/мл). Поэтому баки водородных ракет огромны: у ракеты «Энергия» большая часть объёма — водородный бак.

push_pinГлавное

Энтальпия реакции не зависит от пути (закон Гесса, 1840), поэтому \(\Delta_rH = \sum\nu\Delta_fH(\text{продуктов}) - \sum\nu\Delta_fH(\text{реагентов})\); энтальпия образования простых веществ в стандартном состоянии равна нулю. Энтальпия пропорциональна коэффициентам и меняет знак при обращении уравнения; агрегатное состояние важно: \(\ce{H2O}\)(ж) и \(\ce{H2O}\)(г) различаются на 44 кДж/моль. Уравнения складывают и вычитают вместе с их энтальпиями.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.