6.10: قانون هس

هناك طريقتان لتحديد كمية الحرارة التي ينطوي عليها التغير الكيميائي: قياس الحرارة تجريبياً، أو حسابها من تغيرات أخرى في المحتوى الحراري محددة تجريبياً. من الصعب، إن لم يكن من المستحيل، دراسة بعض التفاعلات وإجراء قياسات دقيقة من الناحية التجارعية. وحتى عندما لا يكون من الصعب تنفيذ التفاعل أو قياسه، فمن المناسب أن تكون قادرًا على تحديد الحرارة التي ينطوي عليها التفاعل دون الحاجة إلى إجراء تجربة.

وعادة ما يتضمن هذا النوع من الحسابات استخدام قانون هس’s الذي ينص على ما يلي: إذا كان من الممكن كتابة عملية كمجموع عدة عمليات متدرجة، فإن التغير في المحتوى الحراري للعملية الكلية يساوي مجموع التغيرات في المحتوى الحراري للخطوات المختلفة. إن قانون هس’s صالح لأن المحتوى الحراري هو دالة حالة: فالتغيرات في المحتوى الحراري تعتمد فقط على المكان الذي تبدأ فيه العملية الكيميائية وتنتهي، ولكن ليس على المسار الذي تسلكه من البداية إلى النهاية. على سبيل المثال، يحدث تفاعل الكربون مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون إما بشكل مباشر أو من خلال عملية من خطوتين. تتم كتابة العملية المباشرة على النحو التالي:

في العملية ذات الخطوتين، يتم تكوين أول أكسيد الكربون:

بعد ذلك ، أول أكسيد الكربون يتفاعل بشكل أكبر لتكوين ثاني أكسيد الكربون:

إن المعادلة التي تصف التفاعل الكلي هي مجموع هذين التغييرين الكيميائيين:

نظرًا لأن أول أكسيد الكربون الذي تم إنتاجه في الخطوة 1 يتم استهلاكه في الخطوة 2، فإن صافي التغيير هو:

ووفقاً لقانون هس’s، فإن التغير في المحتوى الحراري للتفاعل سيساوي مجموع التغيرات في المحتوى الحراري للخطوات.

تكون قيمة ΔH للتفاعل الإجمالي هي نفسها، بغض النظر عما إذا كان يحدث في خطوة واحدة أو اثنتين. وهذا الاستنتاج (إجمالي ΔH للتفاعل = مجموع قيم ΔH لـ “خطوات” التفاعل في التفاعل الاجمالي) هو صحيح بشكل عام للعمليات الكيميائية والفيزيائية.

هناك ميزتان هامتان لـ ΔH أثبتتا فائدتين أثناء حل المشاكل باستخدام قانون هس’s. ويستند ذلك إلى حقيقة أن تكون قيمة ΔH متناسبة بشكل مباشر مع كميات المواد المتفاعلة أو المنتجات، وتغيير التفاعل (أو المعادلة الكيميائية الحرارية) بطرق محددة بشكل جيد لتغيير قيمة ΔH accordingly وفقاً لذلك.

على سبيل المثال، التغير في المحتوى الحراري للتفاعل الذي يشكل مول واحد من NO₂ (g) هو +33.2 كيلو جول:

عندما يتم تكوين 2 مول من NO₂ (ضعف العدد)، تكون قيمة ΔH أكبر بمرّتين:

بشكل عام، إذا كان ضرب معادلة كيميائية أو قسمتها، فيجب أيضًا ضرب التغير في المحتوى الحراري أو قسمته على العدد نفسه.

تكون قيمةΔH للتفاعل في اتجاه واحد متساوية في الحجم ومعاكسة بلعلامة لـ ΔH للتفاعل في الاتجاه المعاكس. على سبيل المثال:

ثم، بالنسبة إلى التفاعل العكسي، ينعكس التغير في المحتوى الحراري أيضًا:

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.

تسرب غاز الهيدروجين من السيارات الكهربائية،يمكن أن يتفاعل مع طبقة الأوزون،في الغلاف الجوي،وينتج الماء. لمثل هذه التفاعلات،فإنّالقياس المباشر لتغير المحتوى الحراري في بيئة معملية صعب. ومع ذلك،يمكن تنفيذ هذا التفاعل في المختبر في خطوتين لقياس المحتوى الحراري لكل خطوة.

في الخطوة 1،يتم تحويل غاز الأكسجين إلى غاز الأوزون،ودلتا H_1 تساوي 285.4 كيلوجول. في الخطوة 2،غازات الهيدروجين والأكسجين تتحد لإنتاج بخار الماء،ودلتا H_2 يساوي 483.6 كيلوجول. نظرًا لأن المحتوى الحراري هو وظيفة حالة،فإن التغير في المحتوى الحراري للتفاعل يعتمد فقط على الحالة الأولية للنظام،الهيدروجين والأوزون والحالة النهائية،الماء،بغض النظر عن الخطوات الوسيطة.

قانون هيس للجمع الحراري المستمر ينص على أنه إذا كان يمكن للمعادلة الكيميائية أن تتم كتابتها بخطوات متعددة،إذاًفالتغير في المحتوى الحراري الصافي المصاحب لكل خطوة. في كثير من الأحيان،يجب أن تكون التفاعلات الكيميائية الحرارية يتم التلاعب بها من أجل جعل مجموع التفاعلات لتفاعل محدد. الكميات المتكافئة واتجاه التفاعل يمكن تغييرهم و تحديد المحتوى الحراري الجديد لكل تفاعل تم التلاعب به.

في هذا المثال،الخطوتان مع التغييرات المعروفة في المحتوى الحراري،لا يمكن إضافتهم مباشرة للعثور على المحتوى الحراري الغير معروف للتفاعل. هذا لأنه في المعادلة الأولى الأوزون هو ناتج،في حين أنه في التفاعل المقصود الأوزون مادة متفاعلة. لحساب هذا،فإن المعادلة الأولى،تفاعل ماص للحرارة،يجب تحويله في تفاعل عكسي طارد للحرارة حيث يتحلل الأوزون إلى أكسجين ويطلق 285.4 كيلوجول.

دلتا H الجديدة لها نفس القيمة لكن الإشارة المعاكسة. و مع هذا،تظل إضافة عكس الخطوة 1 والخطوة 2 لا تنتج 3 مولات من الماء كما في تحويل الأوزون إلى ماء لأن معاملات القياس المتكافئ مختلفة. لحساب ذلك،المعاملات المتكافئة لكل من التفاعلات وما يرتبط بها من تغيير في المحتوي الحراري يجب ضربه في العوامل التي تسمح للمعامل بالتوافق مع التفاعل المرغوب أو إلغاؤه.

لأن تغيير المحتوى الحراري يعتمد على كميات المواد المتفاعلة والنواتج،فتبقي النسبة بين المعاملات للمعادلة،يمكن كتابته،كمجموع من المحتوى الحراري و التغير في المحتوى الحراري ثابتًة. للحصول على 3 مولات من الماء،الخطوة 2 يجب ضربها في 3 على 2 لإعطاء دلتا جديدة H_2و هي 725.4 كيلوجول. لاستهلاك 1 مول من الأوزون،عكس الخطوة 1 يجب ضربه في 1 على 2،مما يعطي دلتا جديدة H_1 و هي 142.7 كيلو جول.

بجمع المعادلة الحرارية الكيميائية المعدلة وإلغاء جميع المركبات التي تظهر في كلا من المتفاعلات والنواتج،ينتج عنها التفاعل المرغوب. عند إضافة دلتا الجديدة H 1 و 2،يصبح تغير المحتوى الحراري للتفاعل بين الهيدروجين والأوزون هو 868.1 كيلوجول.