Back to chapter

6.10:

חוק הס

JoVE Core
Chimie
This content is Free Access.
JoVE Core Chimie
Hess’s Law

Langues

Diviser

גז מימן הדולף ממכוניות חשמליות יכול להגיב עם שכבת האוזון באטמוספרה וליצור מים. בתגובות כאלה, קשר למדוד באופן ישיר את שינוי האנתלפיה בתנאי מעבדה. יחד עם זאת, ניתן לבצע תגובה זו במעבדה בשני שלבים ולמדוד את האנתלפיה בכל שלב.בשלב 1 גז חמצן מומר לגז אוזון ודלתא H-1 שווה לפלוס 285.4 קילוג’ול. בשלב 2 גזי מימן וחמצן יוצרים יחד אדי מים, ודלתא H-2 שווה מינוס 483.6 קילוג’ול. מכיוון שאנתלפיה היא פונקציה של מצב, השינוי האנתלפי של תגובה תלוי רק במצב ההתחלתי של המערכת, מימן ואוזון, ובמצב הסופי, מים, ללא תלות בשלבי הביניים.חוק הס, המתאר את החוקיות בסכימת משוואות חום, קובע שאם משוואה כימית יכולה להיכתב במספר שלבים, שינוי האנתלפיה במשוואה הסופית יכול להיכתב כסך כל האנתלפיות בכל אחד מהשלבים. לעיתים קרובות חייבים לתמרן תגובות תרמו-כימיות על מנת לחשב את סכום התגובה של תגובה נתונה. ניתן לשנות את הכמויות הסטויכיומטריות ואת כיוון התגובה, וניתן לקבוע אנתלפיה חדשה לכל תגובה מתומרנת.בדוגמה זו, לא ניתן לחבר ישירות את שני השלבים עם השינוי הידוע באנתלפיה כדי לחשב את האנתלפיה הלא ידועה של התגובה. הסיבה לכך היא שבמשוואה הראשונה התוצר הוא אוזון, ואילו בתגובה המעניינת אותנו האוזון הוא מגיב. כדי להתמודד עם זה, חייבים להמיר את המשוואה הראשונה, תגובה אנדותרמית, לתגובה האקסותרמית ההפוכה, שבה האוזון מתפרק לחמצן ומשחרר 285.4 קילוג’ול.לדלתא H החדשה אותו ערך, אך הסימן ההפוך. למרות זאת, הוספת ההפך משלב 1 ו-שלב 2 אינה נותנת תוצאה של שלושה מול מים כמו בהמרה של אוזון למים בגלל המקדמים הסטויכיומטריים השונים. כדי לפתור את זה, יש להכפיל את המקדמים הסטויכיומטריים בכל אחת מהתגובות ואת שינויי האנתלפיה של התגובות בגורמים היוצרים התאמה בין המקדמים לתגובה הרלוונטית, או מבטלים אותה.מכיוון ששינוי האנתלפיה תלוי בכמויות המגיבים והתוצרים, היחס בין מקדמים לשינוי האנתלפיה נותר קבוע. כדי להגיע לשלושה מול מים, יש להכפיל את שלב 2 ב-3 כפול 2, והתוצאה היא דלתת H-2 חדשה של מינוס 725.4 קילוג’ול. כדי לכלות מול אחד של אוזון, יש להכפיל את ההפך משלב 1 ב-1 כפול 2, והתוצאה היא דלתת H-1 חדשה של מינוס 142.7 קילוג’ול.סיכום המשוואה התרמו-כימיקלית המותאמות וביטול כל התרכובות שמופיעות הן במגיבים והן בתוצרים ייתנו את התגובה הרלוונטית. כאשר מחברים את דלתות H 1 ו-2 החדשות, שינוי האנתלפיה לתגובה בין מימן לאוזון הוא מינוס 868.1 קילוג’ול.

6.10:

חוק הס

There are two ways to determine the amount of heat involved in a chemical change: measure it experimentally, or calculate it from other experimentally determined enthalpy changes. Some reactions are difficult, if not impossible, to investigate and make accurate measurements for experimentally. And even when a reaction is not hard to perform or measure, it is convenient to be able to determine the heat involved in a reaction without having to perform an experiment.

This type of calculation usually involves the use of Hess’s law, which states: If a process can be written as the sum of several stepwise processes, the enthalpy change of the total process equals the sum of the enthalpy changes of the various steps. Hess’s law is valid because enthalpy is a state function: Enthalpy changes depend only on where a chemical process starts and ends, but not on the path it takes from start to finish. For example, the reaction of carbon with oxygen to form carbon dioxide occurs either directly or by a two-step process. The direct process is written as:

Eq1

In the two-step process, first carbon monoxide is formed:

Eq2

Then, carbon monoxide reacts further to form carbon dioxide:

Eq3

The equation describing the overall reaction is the sum of these two chemical changes:

Eq4

Because the CO produced in Step 1 is consumed in Step 2, the net change is:

Eq5

According to Hess’s law, the enthalpy change of the reaction will equal the sum of the enthalpy changes of the steps.

Eq6

ΔH of the overall reaction is the same, regardless of whether it occurs in one step or two. This finding (overall ΔH for the reaction = sum of ΔH values for reaction “steps” in the overall reaction) is true in general for chemical and physical processes.

There are two important features of ΔH that prove useful while solving problems using Hess’s law. This is based on the fact that ΔH is directly proportional to the quantities of reactants or products, and changing the reaction (or the thermochemical equation) in well-defined ways changes the ΔH accordingly.

For example, the enthalpy change for the reaction forming 1 mole of NO2 (g) is +33.2 kJ:

Eq7

When 2 moles of NO2 (twice as much) are formed, the ΔH is twice as large:

Eq8

In general, if multiplying or dividing a chemical equation, the change in enthalpy should also be multiplied or divided by the same number.

ΔH for a reaction in one direction is equal in magnitude and opposite in sign to ΔH for the reaction in the reverse direction. For example:

Eq9

Then, for the reverse reaction, the enthalpy change is also reversed:

Eq10

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

Suggested Reading

  1. Davis, Thomas W. "A common misunderstanding of Hess' law." Journal of Chemical Education 28, no. 11 (1951): 584.
  2. Lee, A. L., H. L. Feldkirchner, F. C. Schora, and J. J. Henry. "Heat of Reaction of Hydrogen and Coal." Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development 7, no. 2 (1968): 244-249.