Химия · 10 класс1 четвертьТема 2Лабораторная работаГОСО РК 2026Базовый

Химическая термодинамика: энтальпия, закон Гесса и расчеты тепловых эффектов

Химическая термодинамика: энтальпия, закон Гесса и расчеты тепловых эффектов

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ1 четвертьдескрипторы ГОСО

Химическая термодинамика изучает переходы энергии при химических процессах и критерии их самопроизвольного протекания.

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): теплота Q, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии ΔU и на совершение работы против внешних сил A:

Q = ΔU + A = ΔU + P · ΔV (при постоянном давлении P = const).

Для изобарных процессов (P = const) введена функция состояния — энтальпия H (H = U + P·V):

Qp = ΔH = Hпродуктов - Hреагентов.

• Если ΔH < 0, реакция экзотермическая (система отдает теплоту в окружающую среду, Hпрод < Hреаг);

• Если ΔH > 0, реакция эндотермическая (система поглощает теплоту из среды, Hпрод > Hреаг).

Стандартная энтальпия образования вещества (ΔH°_f,298) — это тепловой эффект реакции образования одного моля сложного вещества из простых веществ, находящихся в термодинамически устойчивых фазах при стандартных условиях (T = 298.15 K = 25 °C, P = 100 кПа). Стандартные энтальпии образования простых веществ в устойчивых состояниях (O₂ газ, C графит, Fe крист, Br₂ жидк) строго приняты равными нулю!

Диаграмма: Химическая термодинамика, стандартная энтальпия и закон Гесса

Векторная схема
Экзотермическая (ΔH < 0)РеагентыПродуктыEaТеплота выделяется (+Q)Эндотермическая (ΔH > 0)РеагентыПродуктыEaТеплота поглощается (-Q)Катализатор снижает энергию активации Ea (пунктир), ускоряя прямую и обратную реакции
Энтальпия образования ΔH°_f, закон Гесса: ΔH°_реакции = Σ ΔH°_f(прод) - Σ ΔH°_f(реаг); термодинамическая вероятность.
Функция состояния

Энтальпия H

Термодинамический потенциал системы при постоянном давлении: H = U + PV; ΔH = Qp.
Стандартный нуль

Энтальпия простых веществ

ΔHf°(O₂) = 0; ΔHf°(Cграф) = 0. У алмаза ΔHf° = +1.9 кДж/моль (неустойчивая форма).

Энтальпия — функция состояния

Изменение энтальпии ΔH зависит ТОЛЬКО от начального и конечного состояний системы и совершенно не зависит от пути перехода!

Шаг 1
Поиск табличных величин
Найти стандартные энтальпии образования ΔHf° каждого вещества в справочнике.
Шаг 2
Учет простых веществ
Для простых веществ в устойчивом состоянии принять ΔHf° = 0.
Шаг 3
Учет коэффициентов
Умножить ΔHf° каждого вещества на его стехиометрический коэффициент.
Связь теплоты и энтальпии
Qp=−ΔH;ΔH298∘=∑nΔHf,прод∘−∑mΔHf,реаг∘Q_p = -\Delta H;\quad \Delta H^{\circ}_{298} = \sum n \Delta H^{\circ}_{f,\text{прод}} - \sum m \Delta H^{\circ}_{f,\text{реаг}}
Знак термохимической теплоты Q противоположен знаку термодинамической энтальпии ΔH.
Раздел 2 из 5

Основной закон термохимии был открыт российским академиком Германом Ивановичем Гессом:

«Тепловой эффект химической реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути перехода (числа промежуточных стадий)».

Закон Гесса позволяет рассчитывать тепловые эффекты тех реакций, которые невозможно измерить прямым калориметрическим путем (например, теплоту окисления углерода до угарного газа C + 1/2 O₂ → CO невозможно измерить напрямую, так как часть углерода неизбежно сгорает до CO₂).

Термохимические уравнения можно складывать, вычитать и умножать на скалярные множители, как обычные алгебраические уравнения.

Фундаментальный закон

Закон Гесса

Независимость теплового эффекта процесса от маршрута превращения: ΔH = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃.
Термодинамический цикл

Цикл Борна — Габера

Применение закона Гесса для расчета энергии кристаллической решетки и сродства к электрону.

Термохимическая алгебра

При обращении химической реакции знак ее теплового эффекта меняется на противоположный: ΔHобр = -ΔHпр.

Шаг 1
Составление схемы стадий
Изобразить превращение исходных веществ в продукты через промежуточные соединения.
Шаг 2
Алгебраическая комбинация
Скомбинировать промежуточные уравнения так, чтобы при сложении получить целевую реакцию.
Шаг 3
Суммирование энтальпий
Сложить энтальпии стадий с учетом знаков и коэффициентов: ΔH = ∑ ΔHi.
Математическая запись закона Гесса
ΔHпрямой=ΔH1+ΔH2+⋯+ΔHn\Delta H_{\text{прямой}} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \dots + \Delta H_n
Суммарный тепловой эффект кругового термодинамического цикла строго равен нулю.

Из закона Гесса вытекают два важнейших практических следствия:

1. Первое следствие (через энтальпии образования):

«Тепловой эффект химической реакции равен сумме стандартных энтальпий образования продуктов за вычетом суммы стандартных энтальпий образования реагентов с учетом стехиометрических коэффициентов»:

ΔH°_х.р. = ∑ νпрод · ΔH°_f(прод) - ∑ νреаг · ΔH°_f(реаг).

2. Второе следствие (через энтальпии сгорания):

«Тепловой эффект химической реакции (особенно органической) равен сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов»:

ΔH°_х.р. = ∑ νреаг · ΔH°_сгор(реаг) - ∑ νпрод · ΔH°_сгор(прод).

(Энтальпия сгорания негорючих продуктов сгорания — CO₂, H₂O(ж), N₂ — равна нулю).

Главное следствие

Следствие 1 (через ΔHf°)

ΔH = ∑(продукты) - ∑(реагенты). Самая универсальная формула химических расчетов.
Органический расчет

Следствие 2 (через ΔHсгор°)

ΔH = ∑(сгорание реагентов) - ∑(сгорание продуктов). Незаменима для биохимических реакций.

Энтальпия сгорания

Стандартная энтальпия сгорания ΔHсгор° — теплота окисления 1 моля вещества кислородом до высших оксидов.

Шаг 1
Запись сбалансированного уравнения
Расставить стехиометрические коэффициенты ν.
Шаг 2
Расчет энтальпии продуктов
Сложить произведения νj · ΔHf°(продуктов).
Шаг 3
Вычитание энтальпии реагентов
Вычесть сумму произведений νi · ΔHf°(реагентов) и определить знак ΔH.
Формула Первого следствия закона Гесса
ΔHреакции∘=∑νjΔHf,j∘(продукты)−∑νiΔHf,i∘(реагенты)\Delta H^{\circ}_{\text{реакции}} = \sum \nu_j \Delta H^{\circ}_{f,j}(\text{продукты}) - \sum \nu_i \Delta H^{\circ}_{f,i}(\text{реагенты})
Если продукты термодинамически прочнее реагентов (их ΔHf° более отрицательны), то реакция экзотермична (ΔH < 0).

Термодинамический расчет энтальпии реакции:

Шаг 1
Запись стехиометрического уравнения
Записать сбалансированное уравнение химической реакции: aA + bB → cC + dD.
Шаг 2
Выписывание стандартных энтальпий образования ΔH°_f
По табличным данным выписать ΔH°_f (кДж/моль) для каждого вещества. Помните: стандартная энтальпия образования простых веществ в устойчивом состоянии (O₂, N₂, C(граф), H₂) равна НУЛЮ!
Шаг 3
Применение первого следствия закона Гесса
ΔH°_реакции = [c · ΔH°_f(C) + d · ΔH°_f(D)] - [a · ΔH°_f(A) + b · ΔH°_f(B)]. Разность суммы энтальпий образования продуктов и реагентов с учетом стехиометрических коэффициентов.

Типовые ошибки ЕНТ по термодинамике:

1. Энтальпия образования простых веществ:

ΔH°_f(O₂) = 0, ΔH°_f(N₂) = 0, ΔH°_f(Fe) = 0. Но для озона ΔH°_f(O₃) ≠ 0 (+142.7 кДж/моль), а для алмаза ΔH°_f(Cалмаз) = +1.9 кДж/моль (так как стандартным состоянием углерода является графит)!

2. Расчет через энергии химических связей Eсв:

Если расчет ведется через энергии связей, порядок меняется на обратный:

ΔH°_реакции = Σ Eсв(разрыв в реагентах) - Σ Eсв(образование в продуктах)!

Разрыв связей требует затраты энергии (+), а образование новых связей сопровождается выделением энергии (-).

Энтальпии образования против энергий связей

Через энтальпии образования: ПРОДУКТЫ МИНУС РЕАГЕНТЫ. Через энергии связей: РЕАГЕНТЫ МИНУС ПРОДУКТЫ!

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Закон Гесса:
ΔHреакции0=∑nΔHf0(продуктов)−∑mΔHf0(реагентов)\Delta H^0_{реакции} = \sum n \Delta H^0_f (продуктов) - \sum m \Delta H^0_f (реагентов)[кДж/моль]
Энергия Гиббса реакции:
ΔG0=ΔH0−T⋅ΔS0\Delta G^0 = \Delta H^0 - T \cdot \Delta S^0[кДж/моль]
Закон действующих масс Гульдберга — Вааге:
v=k⋅[A]a⋅[B]bv = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b[моль/(л·с)]
Правило Вант-Гоффа:
v2/v1=γ(T2−T1)/10v_2 / v_1 = \gamma^{(T_2 - T_1) / 10}
Следующая тема

Химическая кинетика и равновесие: константы равновесия Kc и Kp, изотерма Вант-Гоффа

Перейти к теме →