Теплота і температура
Перед тим як вивчити закон Гесса і розглянути наслідки, що випливають з нього, згадаємо, що таке термохимия, чим вона займається і які ставить перед собою завдання. Розглянемо поняття теплообміну, теплоти і енергії в хімічному сенсі.
Виділення тепла відбувається часто-густо. Активність руху молекул, є єдиною й основною причиною всіх термодинамічних явищ. Процес дифузії, ефузії, явище теплопровідності – все це легко пояснюється молекулярної теорії будови речовини.
Чисельна характеристика, що описує тепловий вид енергії, називається температурою. Нагрівати тіло теоретично можна скільки завгодно довго, воно буде змінювати свій агрегатний стан. Зміни стану завжди супроводжує тепловий ефект хімічної реакції.
Важливо! Тіло під час нагрівання і охолодження змінює свій агрегатний стан, тільки якщо інші параметри (тиск і об’єм) зберігаються. Практично, змінюючи обсяг і рівень тиску, при нагріванні можна уникнути переходу.
Охолоджувати тіло (тобто віддавати його тепло) нескінченно довго не вийде, так як існує певний межа, коли всі молекули повністю завмирають, і з тіла виходить все тепло. Така межа носить назву абсолютного нуля. Температурою абсолютного нуля є мінус 273 градуси за шкалою Цельсія.
Говорячи про Цельсии, слід зазначити, що існує три найбільш популярні шкали вимірювання температур:
- шкала Цельсія;
- шкала Фаренгейта;
- шкала Кельвіна.
Шкала Цельсія прив’язана до поведінки води при нормальних умовах (атмосферному тиску). Згідно з цією шкалою вода замерзає при температурі 0 градусів за Цельсієм, а кипить при температурі 100 градусів. Ця шкала стала дуже зручною у побутовій та повсякденному житті: кімнатна температура близько 25 0С, температура тіла 36,6 0С. Шкала Фаренгейта прив’язана до розчину води, солі і нашатирного спирту. Температура замерзання цього розчину становить 0 0F, що приблизно дорівнює -17,8 0С.
Шкала Кельвіна носить найбільший фізичний зміст. Нулем за цією шкалою прийнято вважати абсолютний нуль, тобто -273 0С. Ця шкала позбавлена негативних температур і має пряму лінійну зв’язок з іншими. Вода кипить при 373 0К, замерзає при 273 0К.
Вимірювання температури
Що таке термохимия?
Нагрівання і охолодження – несиметричні фізичні поняття, фізичним сенсом володіє лише поняття нагрівання (підвищення температури). Процес охолодження можливий тільки при передачі теплової енергії. Тіло, що віддає тепло, стає холодніше. В результаті цього прийнято говорити, що воно охолоджується. Для порівняння можна використовувати поняття «світло» і «тьма». Якщо «світло» є фізичним явищем, можливим при існуванні відповідних елементарних частинок, то темрява – лише відсутність світла.
Після того як термопередача завершена, температури обох тіл порівнюються і настає рівновага. Під час термообмена виникає витрата теплової енергії, яка називається теплотою. Ця величина вимірна в Джоулях (або калоріях) і являє собою енергію тієї ж природи, що і в механіці (представлена у вигляді роботи сил).
Існує стійкий міф (особливо він часто показаний в кіно), що в космосі всі тіла швидко замерзають і покриваються снігом та інеєм. Однак слід пам’ятати, що космос являє собою майже вакуум. Тому віддавати тепло тіла не можуть в космосі, так як відсутня речовина, проводить тепло. Кажучи простими словами, теплової енергії нікуди подітися. З цієї причини вже понад 5 мільярдів років гаряча магма землі зберігає свою температуру майже постійною.
Якщо хімія починає вивчати фізичні закони будови матерії, акцентуючи особливу увагу на різновиди процесів, вивчити які можна тільки за допомогою хімічної теорії, то такий розділ хімії носить назву фізична хімія.
Область фіз. хімії, яка досліджує структуру речовини в явищах з супроводом виділення або обміну теплоти, з перетвореннями внутрішньої енергії розчинів тепло, носить назву хімічна термодинаміка.
Якщо даний розділ природознавства акцентуватиме особливу увагу на дослідженні явищ з виділенням тепла, які протікають під час процесів, то його прийнято називати термохимия. Термохимия являє собою область знання, що вивчає перетворення термічного типу; процеси, в яких виділяються і поглинаються теплові види енергій.
Закон Гесса
Цей закон заслужено вважають головним законом термохімії. Формулювання закону Гесса закону виглядає так:
Чисельні значення теплових ефектів, під час протікання хімічних реакцій не залежать від того, яким чином відбуваються самі процеси.
Основний закон термохімії свідчить, що якщо є безліч різних способів провести одну і ту ж хімічну реакцію, то теплові процеси будуть однакові у всіх випадках.
Природно, це буде так, якщо умови всіх реакцій однакові – тиск, температура рівні. Це наукове твердження, незважаючи на інтуїтивну очевидність, далеко не так просто зрозуміти. Давайте розберемо його формулювання.
Якщо процес проходить абсолютно ідентичних умовах, тобто тиск або температура незмінні, то незалежно від того, у скільки стадій буде проходити реакція, теплова енергія (виробляється або витрачена) буде незмінна.
Важливо! Один з найпростіших прикладів закону: засвоєння цукрів у людському тілі. Переробка глюкозного розчину в нашому тілі відбувається за дуже складних органічних реакцій, розбитим на безліч органічних етапів. Однак енергія, що виділяється протягом всього розчинення, так чи інакше, така ж, як енергія простого згоряння глюкози.
Спробуємо висловити закон Гесса в математичній формі. Для цього представимо собі, деяку реакцію між речовинами А1, А2, А3 і т. д. Це можуть будь-які речовини –вода, вуглекислий газ, кислоти, луги і т. д. Сама реакція також може бути будь – окислення, відновлення, дегідратація та ін. Наша задача за допомогою ряду речовин А1, А2 і т. д. отримати речовини В1, В2 і т. д. Наприклад, реакція окиснення, в якій окислювачем є іон водню:
.
У цій реакції вихідні речовини: залізо і соляна кислота є прикладами наших гіпотетичних А1, А2, а кінцевими речовинами є хлорид заліза і водень – приклад В1, В2.
Природно, це не єдина реакція за допомогою якої можна отримати
і водень. Наприклад, можна отримати 
за допомогою міді:
.
Таким чином, можна стверджувати, що є безліч різних способів з речовин А1, А2 отримувати речовини В1, В2. При цьому під час реакцій буде виділятися певна кількість теплоти, яку ми будемо позначати
.
Наприклад, якщо реакція проходить простим традиційним шляхом в один крок, то виділяється теплота
. Якщо можна провести реакцію іншим шляхом (теж в один крок), то виходить вже інша кількість теплоти 
; якщо, наприклад, реакція проходить в два етапи, спочатку виділяється теплота 
, а потім 
, але в сумі виходить 
.
Враховуючи ці позначення, в математичному вигляді закон Гесса уявити досить легко. Якщо в результаті реакції виділяється енергія але різними шляхами виділялися теплові ефекти 
, 
, 
, при цьому ця ж реакція може протікати ще двома шляхами з виділенням ефектів 
, 
, то формула закону Гесса буде виглядати так:
.
Завдяки цьому термохимическому твердженням є можливість чисельно витягувати і розраховувати енергію термодинамічних явищ, яку експериментальними способами отримувати вкрай складно і енергозатратно. Іншими словами, знаючи чисельної значення внутрішньої енергії у вже перевіреної реакції, є можливим обчислити тепловий ефект в більш складному процесі.
Наслідки закону Гесса
Розглянемо два наслідки із закону термохімії.
Ентальпією називається енергія, яка доступна в теоретичному, потенційному вигляді для перетворення в тепло в изобарном процесі. Нагадаємо, що изобарным процесом називається процес, що протікає при постійному тиску.
Приставка «-з» означає сталість. Так, изохорический і ізотермічний процеси означають постійну температуру і обсяг відповідно
Приклад навести дуже легко. Якщо є балон, у якому під пресом знаходиться газ, то ентальпією є сума потенційної енергії преса (mgh, де m – маса преса, h – висота, на яку він піднятий) і власної енергії газу. Простими словами, ентальпія – це та енергія, яка могла б виділитися і неодмінно виділиться, якщо дати хід процесу.
Наприклад, ви сидите під яблунею. Прямо над вашою головою висить яблуко. Теоретично, воно може впасти. Якщо ви будете продовжувати сидіти під яблунею, то так чи інакше воно впаде і вдарить. Ентальпія в даному випадку — це потенційна енергія яблука. Ентальпію будемо позначати через 
. Якщо мова про ентальпії продуктів хімічної реакції (лівій частині формули), то будемо відзначати її 
. Якщо ж мова буде йти про ентальпії реагентів (праворуч), то зазначимо її 
. Буквою n будемо позначати кількість речовини, іншими словами це коефіцієнт, який прийнято ставити в хімічній реакції перед речовиною. Наприклад:
,
число n – це цифра «2» перед соляною кислотою.
Перше слідство
Тепловий ефект хімічної реакції являє собою суму всіх ентальпій продуктів даної реакції, за винятком сум всіх ентальпій вихідних речовин.
У вигляді формули, записати дане слідство легко:
.
Цей закон дозволяє розрахувати тепловий ефект реакції найбільш простим способом.
Друге слідство
Дане твердження, що є наслідком закону Гесса застосовно тільки до сполук органічного типу.
Сформулюємо друге слідство. Теплові ефекти хімічних реакцій, в яких беруть участь органічні речовини, являє собою суму енергії згоряння первинної речовини, за винятком енергії згоряння продуктів реакції.
Важливо! Говорячи про тепловому згорянні, мається на увазі теплота повного згоряння, наприклад вуглець повинен окислитися до вуглекислоти 
, водень окислюється до води 
.
Другий наслідок закону Гесса
Приклади розв’язання задач
Перейдемо до розгляду двох наочних прикладів, за допомогою яких ми навчимося шукати теплові ефекти хімічних реакцій.
Приклад 1. Необхідно порахувати енергію згоряння етилового спирту, використовуючи виключно табличні дані.
Рішення:
Окислення етилового спирту (розставимо всі коефіцієнти):
.
Скористаємося рівнянням (закон Гесса):
;
;
кДж/моль.
Приклад 2. Визначте тепловий ефект дегідратації етилового спирту, знаючи:
;
;
(завдяки результатам попередньої задачі).
Рішення.
Реакція дегідратації:
Скористаємося 2 наслідком закону Гесса:
188 кДж/моль.
Нескладно переконатися, що основний закон термохімії дійсно є основним, адже на нього і його наслідки базується вся сучасна експериментальна хімія.
Закон Гесса і зміна ентальпії реакції
Завдання «Закон Гесса»
Висновок
Серія правил і тверджень, з якими ми познайомилися в даній статті, є базовими у всіх наукових сферах. Він щодня використовується в біохімії, мікробіології, генетики і фармацевтиці, адже в цих науках дуже важливо вміти розраховувати тепловий ефект реакції.
