赫斯定律示例

这是来自Kotz、Treichel和Townsend编的 《化学和化学反应》第五章的题目 它说 如果你想求焓变 也就是总能变 由固态石墨 还有氢气 生成甲烷CH4的反应的焓变 呐 我们想要求这个反应的焓变 那怎么得到甲烷… 由固态石墨和氢气 生成甲烷时 反应会吸收或放出多少能量？ 并且题中还说了反应的焓变 不能通过实验测得 因为反应太缓慢了 通常来说 如果反应可以测量 就是反应发生的时候 我们可以从环境的变化测出 热量变化 或者温度变化是多少 可是这个反应太慢了 很难测出温度的变化 实在是没有办法 可是 我们可以测得 石墨、氢气和甲烷的燃烧焓变 题中给出了 它们燃烧反应的焓变 石墨的、氢气的和甲烷的 燃烧焓变 题中还说 可以利用这些条件 计算由单质生成甲烷的 焓变 任何时候你看到这种题 题中给出了 一堆反应的焓变 还说 嘿 我们不知道某个反应的焓变 不过那个反应 似乎可以由别的反应构成哦 你就要马上意识到 或许这是一道盖斯定律的题 盖斯定律 盖斯定律的内容就是 如果一个反应是2个以上反应的总和 那么这个反应的焓变 就等于 那些反应的焓变之和 现在 我们看一下这个 可能会令人头疼的部分 怎样由这些反应 构造成这个反应呢？ 通常我会从终产物入手 我喜欢从终产物开始 这里就是气态的甲烷 我们看这边的这些反应 这是甲烷的燃烧反应 它跟甲烷有关 那我们就从这个开始吧 可是这里的甲烷 是反应物 而不是生成物 所以我们要做的是 调转这个箭头 让甲烷变成生成物 如果要用这个反应 就让它反转吧 那么就有二氧化碳气体… 我把它写在这儿 二氧化碳气体加上… 换个颜色哈 加上两个水 可以是两摩尔水 也可以是两分子水 甚至应该是 两分子液态水 我猜你会问 这个不能自发发生呢 因为反应需要能量 但是假如我们把它反过来写 假如朝这个方向反应 将会生成2个水 应该是2个氧气 这里用粉色吧 这是2个氧气 气态的 再加上一个气态甲烷 加上CH4 气态的CH4 我把第三个反应式拿了出来 不过呢 是反过来的 这是从反应物到生成物的 如果从生成物到反应物的话 反应将会释放 890.3kJ/mol的能量 但是反过来的话 要吸收890kJ能量了 那么ΔH… 用个中性的颜色表示 那么反应的ΔH 就是这个的负数 所以反应所需的是正的890.3kJ/mol 我的做法是 把这个反应反过来了 这样做的好处是 现在本应该是终产物的甲烷 终于得到了它的角色 一切都很顺利 这就是我们的目的 好啦 如果最终想变成这样 就需要有一些二氧化碳 还需要出现一些水 那我们怎样得到二氧化碳 又怎样得到水呢？ 呐 这两个反应在这儿 这个燃烧反应产生了二氧化碳 这个燃烧反应产生了水 我把它们搬过来 我把它们写在这儿 我再换个颜色吧 开始时是石墨 是石墨碳 石墨加上… 氧气已经有它的颜色了 加上气态的氧气 会生成气态的二氧化碳 会生成… 这绿色别有风味 会生成气态的二氧化碳 而这个反应 是用二氧化碳的焓 减去这些反应物的焓 结果得到一个负数 这就意味着CO2的焓较小 也就是能量被释放了 因为系统的能量减少了 其实这就是释放的能量 所以这儿的焓变 这个反应的焓变 就是反应1的焓变 我继续 反应的焓变是-393.5kJ/mol 那这就是反应进行了1mol时的焓变 实际上它就等于释放的能量 这就是焓变 所以如果这个反应发生 就会得到CO2 然后我还要… 反应会释放这么多能量 同时我们已经得到这个生成物了 可是我们还需要水 而这个反应里出现了水 氢气的燃烧反应 就有… 前面还没出现过氢气呢 那我要用一个新颜色表示 这不是新颜色 用蓝色吧 这是氢气 我要把它搬下来 氢气加上1/2 O2… 粉色代表的是氧气 加上1/2 O2生成… 会生成一些水 生成H2O 生成一些液态水 呐 在我写下这个数之前 我们再看一下 准备齐全了没 要让这个反应发生 因为它会生成我们的终产物 要想生成气态的甲烷 我们需要1mol… 也可以说是1分子的二氧化碳 而这个反应恰巧生成了 1分子二氧化碳 没错 接着需要2分子水 可是 这个反应只生成了1分子水 那我们在方程两边都乘以一个数 就变为2分子水了 那这是2 我们把这个也乘以2 实际上这个没有了 1/2乘以2 这儿是1 然后把这儿也加个2 我只是把第二个反应式乘以2了 我只是… 这儿变成了1 这儿变成了2 然后既然反应式翻倍了 因为我们乘以2了 那么ΔH 反应的焓变 也要翻倍 我们把计算器拿出来呗 它就是-285.8乘以2 因为我们把整个反应都乘以了2 就等于-571.6 所以反应的焓变是-571.6kJ/mol 接下来 我们结合起来看一下 把这些反应加起来看看 其实就等于上边这个反应 这样的话… 我先把上边的复制粘贴一下 因为这更符合 解题的思路 虽然这不必要 但这样会 更容易理解点 把这个复制粘贴就好了 不如 剪切粘贴 剪切 粘贴 第一个的 我们看看接下来会怎样 看看这些反应是否 真的能变成上边的那个反应 现在我们来看能不能消掉一些东西 拭目以待 这个生成了二氧化碳 而这1mol 或者1mol分子二氧化碳 会在最后的反应中消耗掉 这个生成它 这个消耗它 所以CO2就消掉了 屏幕上它们的颜色一样 这个反应生成它 这个反应消耗它 接着 这个反应 生成了2分子水 然后下面的反应中 我用同样的颜色吧 这是2分子水 然后下面的这个反应 消耗掉了那2分子水 再来 这个反应 它需要1分子氧气 这个也需要1分子氧气 那么这两个加起来 就是2分子氧气 这些是反应物 而最后 这些生成了最后一个反应的生成物 所以 它们轻轻地来 又轻轻地走 反应的总和没有改变 它们 没带走一片云彩 我们可以认为它们相互消掉了 那么剩下什么了呢？ 这个反应还剩下什么呢？ 呐 剩下固态石墨 加上2mol… 或者说2分子氢气 然后生成… 产物这边剩下的就是甲烷 所以 这些反应的总和确实等于目标反应 反应物这边剩下的是石墨 固态石墨 加上氢气分子 加上气态氢气 用它的专属颜色表示 加上2个氢气 而生成物这边 剩下的只有甲烷 剩下的都是气态甲烷 所以这些反应之和… 记住 我们把这个反应反过来了 所以它的符号变了 然后我们把这个反应乘以了2 这样这些反应之和 才达到我们的期望 这就是这些反应之和 这个反应的焓变 就等于这些数之和 这就是 盖斯定律 这里有点意思 我们要把这些值都加起来 就有-393.… 不对 不是这样 清除 就有-393.5 那步是放热的 然后是-571.6 那也是放热的 那些都是燃烧反应 众所周知 通常是放热的 然后是吸热的一步 是燃烧反应的逆过程 再加上890.3 得到-74.8 所以这个反应的焓变就是-74.8kJ/mol 所以这个反应的焓变就是-74.8kJ/mol 也就是说反应进行到1mol的焓变 好了 我们求出了焓变 发现它也放一点热 虽然不及 这些燃烧反应放热多 但是它确实释放了能量 求完了！