Тепловые эффекты и закон Гесса — Неорганическая химия для олимпиад
Неорганическая химияКурс для олимпиад

Тепловые эффекты и закон Гесса

9 заданий

Энтальпия образования и закон Гесса

При реакции термита выделяется столько теплоты, что плавится сталь. Растворение нитрата аммония, напротив, охлаждает пробирку. Количественно тепловой эффект описывает энтальпия реакции \(\Delta_rH\): при постоянном давлении её изменение равно теплоте, полученной системой. Если \(\Delta_rH < 0\), теплота выделяется и реакцию называют экзотермической; если значение \(> 0\), теплота поглощается и реакцию называют эндотермической.

history_eduЗакон Гесса

В 1840 году Герман Иванович Гесс, профессор Петербургского университета и горного института, сформулировал закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ, а не от пути реакции. Это положение было сформулировано раньше общего закона сохранения энергии (Майер, 1842; Гельмгольц, 1847). Гесс также написал «Основания чистой химии» (1831). Учебник выдержал семь изданий, и по нему учились несколько поколений русских химиков.

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловой эффект через энтальпии образования \(\Delta_fH^\circ\). Энтальпия образования вещества соответствует образованию 1 моль этого вещества из простых веществ в стандартном состоянии. Для простых веществ в стандартном состоянии (\(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), графит, металлы) \(\Delta_fH^\circ = 0\). Поэтому из суммы энтальпий образования продуктов с учётом коэффициентов вычитают такую же сумму для реагентов:

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

edit_noteТермит

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

scienceРеакции, тепловые эффекты которых стоит помнить

  1. \(\ce{H2 + 1/2O2 -> H2O (ж)}\), \(\Delta H = -285{,}8\) кДж — при сгорании водорода с образованием жидкой воды на каждый грамм топлива выделяется 142 кДж.
  2. \(\ce{C + O2 -> CO2}\), \(-393{,}5\) кДж; \(\ce{C + 1/2O2 -> CO}\), \(-110{,}5\) кДж — при образовании углекислого газа выделяется больше теплоты, чем при образовании угарного газа.
  3. \(\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}\), \(-65\) кДж — гашение извести сопровождается выделением теплоты, из-за которого вода может закипеть.
  4. \(\ce{N2 + O2 -> 2NO}\), \(+182{,}6\) кДж — реакция эндотермична; при 2000–3000 °C из простых веществ образуется заметное количество оксида азота(II).
  5. \(\ce{CaCO3 -> CaO + CO2}\), \(+179{,}2\) кДж — обжиг известняка требует подвода теплоты, поэтому для него необходимо топливо.

Знаки, коэффициенты, фазы

Энтальпия является экстенсивной величиной: её изменение пропорционально количеству прореагировавших веществ. Поэтому при удвоении всех коэффициентов тепловой эффект удваивается. Если уравнение реакции записать в обратном направлении, знак теплового эффекта меняется:

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

При расчёте необходимо учитывать и агрегатное состояние веществ. Образование жидкой воды сопровождается выделением на 44,0 кДж/моль большего количества теплоты, чем образование водяного пара. Эта разность равна теплоте испарения. Поэтому в задаче о сгорании следует уточнять, в каком состоянии образуется вода.

edit_noteЭнтальпия образования угарного газа

При сгорании графита не удаётся получить чистый \(\ce{CO}\): наряду с ним всегда образуется \(\ce{CO2}\). Энтальпию образования угарного газа удобно определить по закону Гесса. Для реакции \(\ce{C + O2 -> CO2}\) тепловой эффект составляет \(-393{,}5\) кДж, а для реакции \(\ce{CO + 1/2O2 -> CO2}\) он равен \(-283{,}0\) кДж. Если вычесть второе уравнение из первого, получится \(\ce{C + 1/2O2 -> CO}\); соответственно, \(\Delta H = -393{,}5 - (-283{,}0) = -110{,}5\) кДж.

boltКак складывать уравнения

Сначала выпишите уравнение реакции, тепловой эффект которой нужно найти. Затем подберите для известных уравнений такие множители, чтобы коэффициенты нужных веществ совпали с коэффициентами в искомом уравнении. При необходимости запишите известное уравнение в обратном направлении и измените знак его \(\Delta H\). Сложите уравнения, умножив тепловой эффект каждого из них на тот же множитель, что и само уравнение. Вещества, которых нет в искомом уравнении, должны сократиться.

scienceЦикл Гесса для гидразина — ракетного топлива

  1. \(\ce{N2H4 (ж) + O2 -> N2 + 2H2O (ж)}\), \(\Delta H = -622\) кДж — при сгорании жидкого гидразина образуются азот и жидкая вода.
  2. \(\ce{N2H4 (ж) + 2H2O2 (ж) -> N2 + 4H2O (г)}\) — гидразин и пероксид водорода образуют топливную пару, воспламеняющуюся при контакте; горячие газы создают тягу.
  3. \(\ce{2N2H4 + N2O4 -> 3N2 + 4H2O}\) — топливную пару «гидразин — азотный тетраоксид» используют в двигателях космических аппаратов.

Теплота сгорания и топливо

Чтобы сравнить виды топлива, тепловой эффект сгорания пересчитывают на единицу массы. Такой показатель важен при выборе топлива для ракет, автомобилей и электростанций.

Топливо\(\Delta H\), кДж/молькДж/г
водород (при образовании жидкой воды)−285,8142
метан−890,355,5
графит−393,532,8
алюминий (при образовании \(\ce{Al2O3}\))−837,9 на моль Al31,1
магний (при образовании \(\ce{MgO}\))−601,624,8

При горении металлов выделяется значительное количество теплоты. Поэтому алюминиевый порошок добавляют в твёрдое ракетное топливо: например, топливо ускорителей «Спейс шаттла» содержало перхлорат аммония и алюминий. Магний используют в осветительных составах.

scienceМеталлы как горючее

  1. \(\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}\) — при горении алюминиевой пудры образуется оксид алюминия; алюминий используют в твёрдом ракетном топливе.
  2. \(\ce{10Al + 6NH4ClO4 -> 4Al2O3 + 2AlCl3 + 12H2O + 3N2}\) — уравнение представляет собой упрощённую схему горения смесевого топлива.
  3. \(\ce{2Mg + CO2 -> 2MgO + C}\) — магний горит даже в углекислом газе, поэтому такой пожар нельзя тушить углекислотным огнетушителем.

auto_awesomeПочему водород — не идеальное топливо

На грамм водород выделяет втрое больше энергии, чем бензин. Однако даже в жидком виде на литр водорода приходится вчетверо меньше энергии: плотность жидкого водорода составляет 0,07 г/мл. Поэтому водородные ракеты нуждаются в больших баках. В центральном блоке ракеты «Энергия» водородный бак занимал большую часть объёма топливных баков.

push_pinГлавное

Согласно закону Гесса, сформулированному в 1840 году, энтальпия реакции не зависит от пути её протекания. Поэтому её можно рассчитать по энтальпиям образования: \(\Delta_rH = \sum\nu\Delta_fH(\text{продуктов}) - \sum\nu\Delta_fH(\text{реагентов})\); энтальпия образования простых веществ в стандартном состоянии равна нулю. При сложении и вычитании уравнений реакций так же складывают и вычитают их тепловые эффекты. Умножение коэффициентов изменяет энтальпию во столько же раз, а обращение уравнения меняет её знак. Агрегатное состояние тоже существенно: тепловые эффекты образования \(\ce{H2O}\)(ж) и \(\ce{H2O}\)(г) различаются на 44 кДж/моль.

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

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.