Закон Гесса

Утечка газообразного водорода из электромобилей может вступить в реакцию с озоновым слоем атмосферы и образовать воду. Для подобных реакций сложно напрямую измерить изменение энтальпии в лабораторных условиях. Однако эту реакцию можно провести в лаборатории в два этапа, чтобы измерить энтальпию каждого этапа.

На этапе 1 газообразный кислород преобразуется в газообразный озон, и дельта H_1 равно 285, 4 килоджоулей. На этапе 2 газообразные водород и кислород объединяются с образованием водяного пара, и дельта H_2 равно 483, 6 килоджоулей. Поскольку энтальпия является функцией состояния, изменение энтальпии реакции зависит только от начального состояния системы, водорода и озона, и конечного состояния, воды, независимо от промежуточных стадий.

Закон суммирования постоянной теплоты Гесса гласит, что если химическое уравнение может быть записано в несколько шагов, то чистое изменение энтальпии для уравнения может быть записано как сумма энтальпий, связанных с каждым шагом. Часто необходимо оперировать термохимическими реакциями, чтобы суммировать их для получения данных для заданной реакции. Стехиометрические количества и направление реакции могут быть изменены, и может быть определена новая энтальпия каждой управляемой реакции.

В этом примере две стадии с известными изменениями энтальпии нельзя суммировать напрямую, чтобы найти неизвестную энтальпию реакции. Это связано с тем, что в первом уравнении в качестве продукта используется озон, а в интересующей реакции озон выступает в качестве исходного вещества. Чтобы это учесть, первое уравнение, эндотермическую реакцию, необходимо преобразовать в обратную экзотермическую реакцию, при которой озон разлагается на кислород и выделяет 285, 4 килоджоулей.

Новая дельта H имеет то же значение, однако имеет противоположный знак. Тем не менее, добавление в обратном порядке шагов 1 и 2 не дает 3 моля воды, как при превращении озона в воду, поскольку что стехиометрические коэффициенты являются разными. Чтобы учесть это, стехиометрические коэффициенты каждой реакции и связанные с ними изменения энтальпии должны быть умножены на коэффициенты, которые приводят уравнение в соответствие интересующей реакции или компенсируют его.

Поскольку изменение энтальпии зависит от количества исходных веществ и продуктов, соотношение между коэффициентами и изменением энтальпии остается постоянным. Чтобы получить 3 моля воды, шаг 2 необходимо умножить на 3 и получить новую дельта H_2, равную 725, 4 килоджоулей. Чтобы израсходовать 1 моль озона, результат, обратный шагу 1, необходимо умножить на 2, получив новую дельту H_1, равную 142, 7 кДж.

Суммирование видоизмененного термохимического уравнения и исключение всех соединений, присутствующих как в исходных веществах, так и в продуктах, дает интересующую реакцию. Когда добавляются новые дельта H 1 и 2, изменение энтальпии реакции между водородом и озоном составляет 868, 1 килоджоулей.