Hess’s Law | mysimulator.uk

Ентальпія не звертає уваги з яким шляхом ви її отримали

Ентальпія H є функцією стану: її значення залежить лише від поточного стану системи – складу, температури, тиску – не від послідовності кроків, які призвели до цього стану. Цей єдиний факт, сформульований Жоржем Гессенном у 1840 році (за десять років до того, як перше термодинамічне рівняння було записане явно), і є основою для закону Гесса: зміна ентальпії реакції однакова, незалежно від того, відбувається вона за один крок або будь-якою кількістю проміжних стадій, за умови відповідності початкового та кінцевого станів.

Це має величезні практичні наслідки. Деякі реакції є небезпечними, занадто повільними або фізично неможливими для проведення чисто у калориметрі – горіння графіту безпосередньо в монооксид вуглецю (не CO2) є класичним прикладом, оскільки ви ніколи не можете точно зупинити реакцію на CO саме. Але якщо ви зможете знайти законну магістраль через реакції, які можна виміряти, закон Гесса дозволяє обчислити ентальпію того, який ви не можете.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Будівництво енергетичних циклів

Стандартна техніка полягає у створенні циклу Гесса (або циклі Гебера для значень ентальпій іонних кристаліків): намалюйте реакцію, яку потрібно обчислити, як одну стрілку від реагентів до продуктів, а потім намалюйте альтернативний шлях через загальний проміжний елемент – часто це елементи у їхніх стандартних станах, оскільки стандартні ентальпії утворення таблицюються відносно цієї посилання. Оскільки ентальпія є функцією стану, пряма стрілка та двоступеневий обхід повинні сумуватися до однієї і тієї ж загальної величини, що дає вам одну лінійну рівняння, пов’язане з відомими та невідомими ентальпіями.

Цільова ΔH = ? А -----------------> Б \ ^ \ ΔH1 / ΔH2 v / елементи (або проміжний елемент С) ΔH(цільовий) = ΔH1 + ΔH2 (обидва шляхи з’єднуються одними й тими ж двома станами) У найпоширенішій формі, ентальпія цільової реакції отримується безпосередньо з таблиць стандартних енталій утворення ΔHf, використовуючи той факт, що реагенти-до-елементів є просто оберненням елементів-до-реактивів:

      target ΔH = ?
  A -----------------> B
   \                 ^
    \ ΔH1          / ΔH2
     v               /
      elements (or intermediate C)

ΔH(target) = ΔH1 + ΔH2   (both paths connect the same two states)

Дві правила, які роблять алгебру логічною

Цикли Хесса насправді є лінійною алгеброю над набором виміряних або табличних реакцій, і дозволяється лише дві операції: змінити напрямок реакції та відповідним чином змінити знак її зміни ентальпії, оскільки ви запускаєте той самий фізичний процес назад, і енергія, що виділялася, тепер повинна бути забезпечена або навпаки. Збільшити чи зменшити кількість молів реакції на фактор n (подвоїти молі, поділити на два) та змінити відповідний ентальпії фактор n, оскільки ентальпія є об’ємною величиною – вона залежить від кількості матеріалу, що перетворюється. Додайте реакції разом, скасувавши будь-які види, які з'являються як продукти в одному кроці та реагенти в іншому, і додайте їхні ентальпії.

Розрахований приклад: горіння обхідка

Стандартним прикладом є визначення ентальпії утворення монооксиду вуглецю безпосередньо, використовуючи лише вимірювані значення горільних ентальпій:

цільове: C(т) + ½O₂(г) → CO(г) ΔH = ? відоме 1: C(т) + O₂(г) → CO₂(г) ΔH1 = -393.5 кДж/моль відоме 2: CO(г) + ½O₂(г) → CO₂(г) ΔH2 = -283.0 кДж/моль зворотне відоме 2: CO₂(г) → CO(г) + ½O₂(г) -ΔH2 = +283.0 кДж/моль додайте відоме 1, скасуйте CO₂ на обох сторонах: ΔH(цільове) = ΔH1 + (-ΔH2) = -393.5 + 283.0 = -110.5 кДж/моль Ні одна горільна ентальпія окремо не дає відповіді; обхід через CO₂ та подальше алгебраїчне скасування роблять це можливим. Це саме те розрахунок, який зробив закон Гесса корисним до появи спектроскопічних та обчислювальних методів: він перетворює вимірювані реакції на комбінацію немодечуваності.

target:   C(s) + ½O₂(g) -> CO(g)              ΔH = ?

known 1:  C(s) + O₂(g) -> CO₂(g)              ΔH1 = -393.5 kJ/mol
known 2:  CO(g) + ½O₂(g) -> CO₂(g)         ΔH2 = -283.0 kJ/mol

reverse known 2:  CO₂(g) -> CO(g) + ½O₂(g)   -ΔH2 = +283.0 kJ/mol
add to known 1, cancel CO₂ on both sides:

ΔH(target) = ΔH1 + (-ΔH2) = -393.5 + 283.0 = -110.5 kJ/mol

Чому це працює: перше правило в маскерлочці

Закон Гесса насправді є обмеженим твердженням про збереження енергії. Якби ентальпія залежала від шляху, яким вона проходила, ви могли б провести реакцію одним способом, отримати енергію, а потім провести зворотний шлях через різні інтермедіати та отримати більше енергії безкоштовно – термодинамічна перманентна рухлива машина. Неможливість цього точно те, що заборює ентальпія як функція стану, тому закон Гесса не є незалежним емпіричним законом, а скоріше раннє, практичне наслідування першого закону термодинаміки, виявлене до того, як з нього назвали ім'я.

Часті запитання

Чому перевертання реакції змінює знак її ентальпії?

Оскільки ентальпія вимірює теплообмін із навколишнім середовищем за постійної тиску, якщо пряма реакція виділяє 100 кДж, то зворотна реакція повинна поглинути саме цю величину 100 кДж, щоб скасувати зміни зв’язків – отже, зворотна реакція є ендотермічною з протилежним знаком, але її величина не змінюється.

Що саме робить закон Гесса справедливим?

Того факту, що ентальпія є функцією стану – вона залежить лише від поточної складової системи, температури та тиску, а не від її історії. Отже, будь-які два шляхи, які з’єднують одну й ту саму початкову та кінцеву стани, повинні мати однакову загальну зміну ентальпії, або можна створити цикл, який створює або знищує енергію безкоштовно, що порушує перший закон термодинаміки.

Чи потрібно, щоб усі проміжні реакції були фізично реалістичними?

Ні – проміжні кроки у циклі Гесса є бухгалтерським приладом, а не заявою про фактичний механізм реакції. Можна маршрутизувати цикл через елементи в їхніх стандартних станах або через будь-який зручний набір виміряних реакцій; лише початковий та кінцевий стани загальної цільової реакції повинні бути фізично значущими.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Hess's Law і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Hess's Law

Закон Гесса: Розрахунок Ентальпії Реакції через Енергетичні Цикли