Das Hesssche Gesetz, auch Wärmesummationsgesetz genannt, ist ein Grundprinzip der Chemie und Thermodynamik, das die Vorhersage von Änderungen der Enthalpie einer chemischen Reaktion auf der Grundlage von Enthalpieinformationen aus früheren chemischen Reaktionen ermöglicht.
Dieses nach dem russisch-deutschen Chemiker Germain Henri Hess benannte Gesetz war eine Säule im Verständnis der Energie, die bei chemischen Reaktionen eine Rolle spielt, und spielte eine entscheidende Rolle bei der Formulierung von Theorien und der Vorhersage chemischer Reaktionen.
Definition: Was sagt das Hesssche Gesetz?
Das Hesssche Gesetz basiert auf dem Grundprinzip, dass die Änderung der Enthalpie einer chemischen Reaktion eine ausgedehnte Größe hat, was bedeutet, dass ihr Wert nicht von der Art und Weise abhängt, wie die Endreaktion zustande kommt, sondern nur vom Anfangs- und Endzustand .
Mit anderen Worten: Wenn eine chemische Reaktion in mehrere Zwischenstufen unterteilt werden kann, ist die Änderung der Gesamtenthalpie gleich der Summe der Enthalpieänderungen dieser Zwischenstufen.
Erklärendes Beispiel
Um dieses Konzept besser zu verstehen, betrachten wir das folgende Beispiel.
Angenommen, wir möchten die Enthalpieänderung der Reaktion A → C bestimmen, haben aber keine direkten Informationen für diese Reaktion. Wir haben jedoch Informationen über die Reaktionen A → B und B → C und können das Hesssche Gesetz verwenden, um die Änderung der Enthalpie von A → C zu berechnen.
Das Hesssche Gesetz besagt:
ΔH(A → C) = ΔH(A → B) + ΔH(B → C)
Mit anderen Worten, die Enthalpieänderung der Reaktion A → C ist gleich der Summe der Enthalpieänderungen der Reaktionen A → B und B → C. Dieses Prinzip gilt auch dann, wenn die Zwischenreaktionen nicht real sind und nur sie werden verwendet, um die gewünschte Reaktion in kleinere Schritte zu zerlegen.
Hesssche Gesetzesformel
Das Hesssche Gesetz wird durch die folgende Formel ausgedrückt:
ΔH_total = ΣΔH_products - ΣΔH_reagents
Wo:
-
ΔH_total ist die Änderung der Enthalpie der betreffenden chemischen Reaktion.
-
Σ (Sigma) gibt die Summe der Terme an.
-
ΔH_products ist die Summe der Enthalpien der Reaktionsprodukte.
-
ΔH_reagents ist die Summe der Enthalpien der Reaktanten der Reaktion.
Beispiele für Anwendungen des Hessschen Gesetzes
- Berechnung der Änderungen der Standardbildungsenthalpie : Die Standardbildungsenthalpie ist die Enthalpie einer Reaktion, die bei 25 °C und 1 Atmosphäre Druck ein Mol eines Stoffes aus seinen Elementen in seinem stabilsten Zustand bildet. Zur Berechnung dieser Standardbildungsenthalpien wird das Hesssche Gesetz verwendet, das wichtige Informationen über die Stabilität chemischer Verbindungen liefert.
- Vorhersage der Durchführbarkeit chemischer Reaktionen : Wenn man die Änderungen in der Enthalpie der beteiligten chemischen Reaktionen kennt, kann man bestimmen, ob eine Reaktion exotherm (Wärmeabgabe) oder endotherm (Wärmeabsorption) verläuft. Dies ist wichtig, um vorherzusagen, ob eine Reaktion thermodynamisch günstig oder ungünstig verläuft.
- Optimierung industrieller Prozesse : In der chemischen Industrie wird das Hesssche Gesetz verwendet, um Produktionsprozesse zu optimieren und sicherzustellen, dass die beteiligten chemischen Reaktionen hinsichtlich Energie- und Ressourcenverbrauch möglichst effizient sind.
- Berechnung der Enthalpie nichtexperimenteller Reaktionen : In vielen Fällen ist es nicht möglich, die Änderung der Enthalpie einer Reaktion direkt zu messen. Das Hesssche Gesetz ermöglicht die Abschätzung dieser Werte aus experimentell verwandten Reaktionen.
Hess' Gesetzesübungen
Im Folgenden zeigen wir zwei Übungen, die veranschaulichen, wie das Hesssche Gesetz zur Berechnung von Änderungen der Enthalpie chemischer Reaktionen auf der Grundlage von Informationen aus verwandten Reaktionen verwendet wird.
Aufgabe 1: Berechnen Sie die Enthalpieänderung für die folgende Reaktion
2H₂(g) + O2(g) → 2H₂O(g)
Basierend auf den folgenden Informationen:
ΔH1: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) hat einen Wert von -286 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O₂(g) hat einen Wert von -196 kJ/mol.
Lösung
Um die Änderung der Enthalpie der gegebenen Reaktion zu berechnen, können Sie das Hesssche Gesetz anwenden. Die gegebene Reaktion kann in zwei Stufen zerlegt werden:
Schritt 1: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O₂(g) (Multiplikation von ΔH₂ mit 2)
Schritt 2: 2H₂O₂(g) → 2H₂O(g) (Multiplikation von ΔH₁ mit 2)
Dann ist die Änderung der Gesamtenthalpie die Summe von ΔH1 und ΔH₂:
ΔH_total = (2 * ΔH₂) + (2 * ΔH₁) = (2 * -196 kJ/mol) + (2 * -286 kJ/mol) = -392 kJ/mol - 572 kJ/mol = -964 kJ/mol
Daher beträgt die Enthalpieänderung für die gegebene Reaktion -964 kJ.
Aufgabe 2: Berechnen Sie die Enthalpieänderung für die folgende Reaktion
C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
Nutzen Sie die folgenden Informationen:
ΔH₁: C(s) + O₂(g) → CO₂(g) hat einen Wert von -393,5 kJ/mol. ΔH₂: H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) hat einen Wert von -285,8 kJ/mol. ΔH₃: C₃H₈(g) + 5/2O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) hat einen Wert von -2045 kJ/mol.
Lösung
Um die Änderung der Enthalpie der gegebenen Reaktion zu berechnen, zerlegen wir die Reaktion mithilfe des Hessschen Gesetzes in ihre Zwischenschritte:
-
C₃H₈(g) → 3C(s) + 4H₂(g)
-
3C(s) + 4H₂(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)
ΔH_total = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃
ΔH_total = (-393,5 kJ/mol) + [4 * (-285,8 kJ/mol)] + (-2045 kJ/mol)
ΔH_total = -393,5 kJ/mol - 1143,2 kJ/mol - 2045 kJ/mol
ΔH_total = -3581,7 kJ/mol
Daher beträgt die Enthalpieänderung für die gegebene Reaktion -3581,7 kJ.
Beschränkungen des Gesetzes
Obwohl das Hesssche Gesetz ein wirkungsvolles Werkzeug in der Chemie und Thermodynamik ist, weist es einige wichtige Einschränkungen auf.
Eine der wesentlichen Einschränkungen besteht darin, dass dieses Gesetz nur für Änderungen der Enthalpie gilt und keine Informationen über andere thermodynamische Parameter wie Entropie oder freie Gibbs-Energie liefert.
Darüber hinaus geht das Hesssche Gesetz davon aus, dass Änderungen der Enthalpie additiv sind und nicht von den spezifischen Bedingungen der Reaktion abhängen, was in bestimmten Situationen, insbesondere bei hohen Drücken oder extrem niedrigen Temperaturen, möglicherweise nicht ganz genau ist.
Abschluss
Das Hesssche Gesetz ist ein Grundprinzip der Chemie und Thermodynamik, das die Vorhersage von Änderungen der Enthalpie chemischer Reaktionen anhand von Informationen über verwandte Reaktionen ermöglicht.
Dieses Gesetz war von entscheidender Bedeutung für die Formulierung von Theorien und die Vorhersage chemischer Reaktionen in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Bestimmung der Bildungsenthalpie bis zur Optimierung industrieller Prozesse.
Trotz einiger Einschränkungen bleibt das Hesssche Gesetz ein wesentliches Werkzeug auf dem Gebiet der Chemie und Thermodynamik.
