Naukowców Dwóch Blog Entalpia i Prawo Hessa – wszystko co należy wiedzieć do matury 2024

Entalpia i Prawo Hessa – wszystko co należy wiedzieć do matury 2024

Prawo Hessa po kilkunastu latach wraca znowu na maturę w 2025 roku. W szkole często uczymy się wzorów na obliczanie entalpii spalania czy tworzenia, gdy tak naprawdę żaden wzór nie jest nam potrzebny, co również przedstawię Tobie w tym poście!

Przypomnijmy sobie podstawowe pojęcia

Zanim jednak omówię temat prawa Hessa, musimy sobie przypomnieć kilka podstawowych pojęć dotyczących termochemii. 

W podręcznikach często możemy wyczytać, że entalpia jest funkcją stanu. Ale co to tak naprawdę znaczy?

Entalpia (gr. enthalpo – rozgrzewam) w *szkole średniej oznacza to samo co ciepło. Zauważmy, że zapisujemy ją ze poprzedzającym znakiem delty, która oznacza różnicę między stanem końcowym a początkiem.

*Tak naprawdę zmiana entalpii oznacza to samo co ciepło jeśli ciśnienie lub objętość (albo to i to) w układzie się nie ulega zmianie (p= const lub V=const). Mówimy wtedy odpowiednio o warunkach izotermiczno-izobarycznych (przedrostek izo- oznacza według PWN jednakowość jakiejś cechy, właściwości).

Funkcja stanu to (podręcznikowo) funkcja zależna wyłącznie od stanu początkowego i stanu końcowego. Gdybym miała to wytłumaczyć w najbardziej przyziemny sposób, to wyobraźmy sobie, że masz ochotę na spaghetti bolognese i musisz pójść po składniki do sklepu. Nie jest to istotne gdzie i za ile zrobisz zakupy – w sklepie z czerwonym owadem czy niebieskim prostokątem. Ważne jest to, że po zakupach będziesz mieć wszystkie składniki, żeby ugotować danie. Czyli nie liczy się sam proces przygotowania, a bardziej sam efekt (masz wymarzone spaghetti). 

Standardowa entalpia tworzenia ΔHtwo to konkretny rodzaj entalpii, w którym powstaje nam 1 mol oczekiwanego produktu z najtrwalszych form pierwiastków (np. tlen w postaci dwuatomowej czy węgiel pod postacią grafitu). Dla przykładu Standardowa entalpia tworzenia HBr(g) wynosi –36,3 kJ ∙mol−1, a reakcja dla tej entalpii wygląda następująco:

1/2H2(g) + 1/2O2(g)HBr(g)

Standardowa entalpia spalania ΔHspo to konkretny rodzaj entalpii, w którym spalamy 1 mol substratu w tlenie. Dla przykładu Standardowa entalpia spalania benzenu(c) wynosi –3268,4 kJ ∙mol−1, a reakcja dla tej entalpii wygląda następująco:

C6H6(c) + 7,5O2(g) ➝ 6CO2(g) + 3H2O(c)

Prawo Hessa

Przytoczmy sobie najpierw o czym mówi prawo Hessa: 

Entalpia reakcji sumarycznej jest sumą entalpii etapów, na które reakcje te można podzielić.

Krótko mówiąc – prawo Hessa pozwala nam obliczyć nieznaną zmianę entalpii (ciepła) znając wartości zmian entalpii innych odpowiednio dobranych reakcji. 

Zdaję sobie sprawę, że to wszystko może brzmieć teraz jak jeden wielki fizyczno-chemiczny bełkot, ale po prostu zobaczmy jak to wygląda w praktyce! 

Zadanie wprowadzające wykorzystujące prawo Hessa

Schemat na zadania z prawem Hessa będzie następujący:

  1. Napisz reakcję, której entalpii szukasz.
  2. Napisz reakcje pośrednie które masz, a obok nich wartości ich zmian entalpii.
  3. Wymnóż reakcje pośrednie tak, aby substraty i produkty znalazły się w odpowiedniej ilości i po odpowiednich stronach równania, którego szukasz.
  4. Sprawdź, czy wszystkie niepotrzebne reagenty “skracają się”
  5. Dodaj do siebie wszystkie entalpie, po odpowiednim wymnożeniu (z poprzedniego punktu)


Zadanie

Znając standardowe entalpie poniższych reakcji, oblicz standardową entalpię tworzenia gazowego metanu z pierwiastków.

Zaczynamy od kroku pierwszego, czyli zapisania reakcji. Mamy obliczyć standardową entalpię tworzenia metanu z pierwiastków. Więc korzystamy z 1 mola grafitu i dwóch moli gazowego wodoru dwuatomowego aby otrzymać jeden mol gazowego metanu:

W kroku drugim rozpisujemy sobie wszystkie reakcje, których entalpie są nam znane:

 W kroku trzecim zaczynamy “zabawę” na reakcjach, czyli będziemy z naszych znanych reakcji sklejać reakcję, której entalpii szukamy. Kolejność kroków 3.1, 3.2, 3.3 na spokojnie można byłoby zamienić kolejnością – nie ma znaczenia od której reakcji zaczniemy wymnażanie. Chodzi o to, żeby znaleźć w tych reakcjach pośrednich reagenty, które występują w szukanym równaniu. 
Tu w przypadku kroku 3.1. zauważamy że w reakcji tworzenia CO2, której entalpię znamy, pojawia się grafit, który jest w naszej szukanej reakcji. Pojawia się w obu równaniach jako substrat (“przed strzałką”) w tej samej ilości, dlatego entalpię mnożymy razy 1:

To co teraz będziemy robić, to sumować nasze równania krok po kroku, po odpowiednim wymnożeniu reakcji. 

W kroku 3.2. korzystamy z reakcji spalania metanu (podanej w tabeli), której entalpię znamy. W tej reakcji pojawia się metan, który jest też w naszym szukanym równaniu. Jednak znajduje się on po przeciwnej stronie – w szukanej reakcji znajduje się on “za strzałką” jako produkt, a w naszej znanej reakcji jest jako substrat. Mnożymy dlatego reakcję (i wartość jej entalpii) razy -1, dzięki czemu zamieniamy stronami substraty z produktami. Działa to podobnie jak w nierównościach na matmie! Dołączamy naszą wymnożoną reakcję, do poprzedniej (pokazanej w kroku 3.1.):

W  kroku 3.3 korzystamy z reakcji tworzenia metanu (podanej w tabeli), której entalpię znamy. W tej reakcji pojawia się wodór, który jest też w naszym szukanym równaniu. Pojawia się on co prawda po tej samej stronie (jako substrat), jednak w zbyt małej ilości, dlatego musimy wymnożyć to równanie (i jej entalpię) razy 2. Dołączamy naszą wymnożoną reakcję, do poprzedniej (pokazanej w kroku 3.1. i 3.2.):

Jest to dość rozpisana wersja, aczkolwiek można to też zapisać krócej w następujący sposób:

W kroku czwartym sprawdzamy czy nasza reakcja się gdzieś skraca (zapewniam, że każda wykonana w ten sposób reakcja będzie się skracać):

Jeśli po skróceniu reakcja wygląda jak ta szukana, to możemy przystąpić do ostatniego, piątego kroku – obliczania entalpii (przy okazji jest to krok, który zapewnia nas, że dobrze wymnożyliśmy reakcje). Entalpia szukanej reakcji to suma reakcji pośrednich, odpowiednio wcześniej wymnożonych.

Przy okazji przypomnijmy sobie, że ujemny znak entalpii oznacza, że reakcja jest egzotermiczna – wydziela się ciepło z układu.

Zadanie maturalne wykorzystujące prawo Hessa (Matura Czerwiec 2019, Poziom Rozszerzony (Arkusze CKE), Formuła od 2005)

Poniżej podano wartości standardowej entalpii spalania acetylenu i benzenu.

Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

Na podstawie powyższych danych oblicz entalpię ΔH0x reakcji trimeryzacji acetylenu, która zachodzi zgodnie z równaniem:

3C2H2 (g)C6H6 (c)

Literatura i grafiki:

[1] https://pixabay.com/pl/photos/spaghetti-makaron-w%C5%82oski-je%C5%9B%C4%87-2931846/

[2] Jones, Loretta. Chemia ogólna: cząsteczki, materia, reakcje. Translated by Jerzy Zenon Kuryłowicz, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2014 

[2] A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej,  Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012

Autor posta

Natalia Kasprzyk
Na Instagramie @biolchemica. Utalentowana uczennica jednego z dolnośląskich liceów, pasjonująca się chemią. Uczestniczka Ogólnopolskich konkursów i olimpiad chemicznych. Od niedawna również członek zespołu Naukowców Dwóch 🔬💫
Zapisz się do newslettera

Otrzymuj powiadomienia o artykułach naukowców.



    Wysyłając formularz oświadczasz, że zapoznałeś się z naszą polityką prywatności i ją akceptujesz.
    Zapisz się do newslettera