Как узнать теплоту реакции, которую нельзя провести в чистом виде? Собирай путь из известных шагов, переворачивай и умножай их, и смотри, что сумма всегда одна.
Представь, что спускаешься с горы. Можно сойти напрямую, можно по лестнице с площадками, можно даже подняться на соседний холм и потом спуститься. Перепад высоты от вершины до подножия все равно один и тот же. С энергией веществ так же: у каждого набора веществ своя «высота», энтальпия H, и тепловой эффект это просто разность высот.
Это закон Гесса, его открыл петербургский химик Герман Гесс в 1840 году. Он позволяет посчитать тепло реакции, которую невозможно провести или измерить напрямую. Нужно только собрать ее из других реакций, для которых ΔH известен, как из кирпичиков: складывать, переворачивать и умножать.
ⓘ ΔH даны на моль реакции по записанному уравнению, при 25 °C и давлении 1 атм, вода жидкая. Справочные значения стандартных теплот образования.
С уравнениями реакций обращаются как с алгебраическими: их можно складывать, переворачивать и умножать на число. ΔH при этом ведет себя так же, как уравнение. Подсвечена карточка правила, которое ты применил последним.
Сложить шаги
Сложили уравнения, и одинаковые вещества слева и справа сократились. Тепловые эффекты при этом просто складываются.
Перевернуть шаг
Если реакция в одну сторону выделяет тепло, то обратная столько же поглощает. Поменял стороны уравнения, поменяй и знак.
Умножить шаг
Взяли каждого вещества вдвое больше, и тепла тоже вдвое больше. Множитель стоит перед всем уравнением и перед ΔH.
Раз путь не важен, любую реакцию можно мысленно провести через простые вещества: сначала разобрать реагенты на элементы, потом собрать из элементов продукты. Тепловой эффект образования одного моля вещества из простых веществ называют теплотой образования ΔHf. Их измерили один раз и свели в таблицы, а у простых веществ, например O₂, Fe или C, она равна нулю.
ΔH = Σ ΔHf(продукты) − Σ ΔHf(реагенты)
Проверим на горении метана: ΔHf(CO₂) = −393,5, ΔHf(H₂O) = −285,8, ΔHf(CH₄) = −74,8 кДж/моль. Получаем −393,5 + 2 · (−285,8) − (−74,8) = −890,3 кДж. Ровно то, что дает калориметр. Так инженеры считают тепло любой реакции, не ставя опыта.
Металлурги по закону Гесса считают, сколько кокса нужно на тонну чугуна: сколько тепла дает горение угля до CO и сколько забирает восстановление руды. Измерить каждую реакцию внутри печи невозможно, а посчитать можно.
Уголь, сгоревший только до CO, отдал 110,5 кДж из 393,5 возможных: почти три четверти тепла улетает в трубу вместе с ядовитым газом. Поэтому в топку подают избыток воздуха и следят за CO в дымовых газах.
Уголь или древесину превращают в горючий газ CO + H₂, который потом сжигают в двигателе или используют в химии. Тепловой баланс таких установок рассчитывают через теплоты образования веществ.
Теплоту сгорания дизеля, бензина или угля меряют в калориметрической бомбе. Зная ее и теплоты образования CO₂ и воды, по закону Гесса находят теплоту образования самого топлива и сравнивают сорта.
Прежде чем смешать вещества в реакторе, химики-технологи считают тепловой эффект по таблицам. Если реакция выделяет много тепла, нужна система охлаждения, иначе смесь разогреется и выйдет из-под контроля.
Для цементной печи считают, сколько топлива уйдет на разложение известняка и сколько тепла вернется при образовании клинкерных минералов. Все это реакции, которые напрямую не измерить, и все они собираются из табличных данных.
Все ΔH взяты при стандартных условиях: 25 °C, 1 атм, вода жидкая, углерод в виде графита. При других температурах ΔH немного меняется, но закон Гесса остается верным при любых условиях, если все шаги взяты при одних и тех же. Закон верен потому, что энтальпия зависит только от состояния веществ, а не от их истории. Он не говорит, пойдет ли реакция на самом деле и с какой скоростью: в опыте можно «провести» и такие шаги, которые в природе идут только при сильном нагреве. Высота ступеней на рисунке в масштабе, но шкала меняется под каждую реакцию.