Hess Law

Εκτός από τη συντομογραφία «νόμος του Hess», ο νόμος του Hess για το σταθερό άθροισμα θερμότητας είναι μια σημαντική σχέση στη φυσική χημεία που πήρε το όνομά του από τον Germain Hess, έναν ελβετικής καταγωγής Ρώσο χημικό και γιατρό που τον δημοσίευσε το 1840. Σύμφωνα με αυτήν την έννοια, η συνολική μεταβολή της ενθαλπίας που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ολόκληρης της πορείας μιας χημικής αντίδρασης δεν εξαρτάται από τη σειρά των βημάτων που λαμβάνονται.

Ο νόμος του Hess σήμερα αναγνωρίζεται ως δήλωση της ιδέας ότι η ενθαλπία μιας χημικής διεργασίας είναι ανεξάρτητη από τη διαδρομή που ακολουθείται από την αρχική στην τελική κατάσταση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας (δηλαδή, η ενθαλπία είναι συνάρτηση κατάστασης). Όπως αναφέρεται στον πρώτο κανόνα της θερμοδυναμικής, οι αλλαγές ενθαλπίας σε ένα σύστημα λόγω μιας αντίδρασης που λαμβάνει χώρα σε σταθερή πίεση ισούται με την απορροφούμενη θερμότητα (ή το αρνητικό της θερμότητας που απελευθερώνεται), η οποία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας θερμιδομετρία για μια μεγάλη ποικιλία διεργασιών. Οι τιμές δίνονται τυπικά για αντιδράσεις που συμβαίνουν στις ίδιες θερμοκρασίες και πιέσεις στην αρχή και στο τέλος της αντίδρασης (ενώ οι συνθήκες επιτρέπεται να ποικίλλουν κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων). Ο νόμος του Hess μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της συνολικής ποσότητας ενέργειας που απαιτείται για μια χημική αντίδραση που μπορεί να χωριστεί σε συνθετικά βήματα που είναι πιο εύκολο να χαρακτηριστούν μεμονωμένα από την ίδια την αντίδραση. Αυτό επιτρέπει τη σύνταξη συμβατικών ενθαλπιών σχηματισμού, οι οποίες μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της αλλαγής ενθαλπίας σε πολύπλοκες συνθέσεις που είναι πιο περίπλοκες.

Περιγραφή του νόμου του Hess

Υπό τις συνθήκες ίσων καταστάσεων έναρξης και τέλους τόσο για τα αντιδρώντα όσο και για τα προϊόντα, ο νόμος του Hess βεβαιώνει ότι η αλλαγή στην ενθαλπία σε μια χημική αντίδραση είναι η ίδια ανεξάρτητα από το αν η αντίδραση συμβαίνει σε ένα μόνο στάδιο ή σε πολλά στάδια. Η ενθαλπία είναι ένα εκτεταμένο χαρακτηριστικό, που σημαίνει ότι η τιμή της ενθαλπίας αλλάζει ανάλογα με το μέγεθος του δείγματος που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της. Ως αποτέλεσμα, η ενθαλπία μιας αντίδρασης αλλάζει αναλογικά με τον αριθμό των mole που εμπλέκονται στη διαδικασία.

Έχοντας αυτό υπόψη, δεν έχει σημασία αν μια χημική αλλαγή συμβαίνει μέσω πολλών διαφορετικών καναλιών. η συνολική μεταβολή της ενθαλπίας είναι η ίδια ανεξάρτητα από τη διαδρομή μέσω της οποίας συμβαίνει η χημική αλλαγή (υπό την προϋπόθεση ότι οι αρχικές και οι τελικές συνθήκες είναι ίδιες). Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι εάν αυτό δεν είναι αλήθεια, τότε είναι δυνατό να παραβιαστεί ο νόμος.

Στην περίπτωση μιας αντίδρασης, ο νόμος του Hess επιτρέπει τον υπολογισμό της μεταβολής της ενθαλπίας (Η) ακόμη και όταν η αντίδραση δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα. Για να γίνει αυτό χρησιμοποιούνται βασικές αλγεβρικές πράξεις που βασίζονται σε χημικές εξισώσεις αντιδράσεων, με τις προηγουμένως υπολογισμένες τιμές για τις ενθαλπίες σχηματισμού να χρησιμεύουν ως βάση για τους υπολογισμούς.

Μια καθαρή εξίσωση, επίσης γνωστή ως συνολική εξίσωση, σχηματίζεται από το συνδυασμό πολλών χημικών εξισώσεων. Εάν οι αλλαγές ενθαλπίας για όλες τις εξισώσεις της σειράς είναι γνωστές, το άθροισμα των αλλαγών ενθαλπίας για την καθαρή εξίσωση θα είναι η μεταβολή της ενθαλπίας για την καθαρή εξίσωση. Εάν η καθαρή μεταβολή της ενθαλπίας είναι αρνητική, η αντίδραση είναι εξώθερμη και επομένως είναι πιο πιθανό να συμβεί αυθόρμητα. Οι θετικές τιμές Η αντιστοιχούν σε ενδόθερμες αντιδράσεις και επομένως είναι λιγότερο πιθανό να συμβούν αυθόρμητα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η εντροπία μπορεί επίσης να διαδραματίσει βασικό ρόλο στον προσδιορισμό του αυθορμητισμού, καθώς ορισμένες αντιδράσεις με θετική αλλαγή ενθαλπίας μπορούν ακόμα να θεωρηθούν αυθόρμητες λόγω της αύξησης της εντροπίας στο σύστημα αντίδρασης.

Ο νόμος του Hess και η σημασία του

Είναι δυνατό να διασπαστεί μια χημική αντίδραση σε πολλά στάδια και να χρησιμοποιηθούν οι συμβατικές ενθαλπίες σχηματισμού για να προσδιοριστεί πόση ενέργεια εμπλέκεται σε ολόκληρη την αντίδραση. Αυτό είναι δυνατό επειδή ο νόμος του Hess ισχύει. Οι ισοδύναμοι πίνακες ενθαλπίας καταρτίζονται χρησιμοποιώντας εμπειρικά δεδομένα, τα οποία τυπικά λαμβάνονται μέσω θερμιδομετρίας. Είναι δυνατό να προσδιοριστεί εάν μια πιο σύνθετη αντίδραση είναι θερμοδυναμικά πλεονεκτική ή όχι με αναφορά σε αυτούς τους πίνακες.

Συμπέρασμα

Ο νόμος του Hess δηλώνει ότι η συνολική ποσότητα ενέργειας που μεταβάλλεται από μια χημική αντίδραση είναι ίση με τη συνολική ποσότητα ενέργειας που μεταβάλλεται από όλες τις επιμέρους αντιδράσεις που αποτελούν την αντίδραση. Με άλλα λόγια, οι μεταβολές της ενθαλπίας μιας χημικής αντίδρασης (δηλαδή, η θερμότητα της αντίδρασης υπό σταθερή πίεση) είναι ανεξάρτητες από τη διαδρομή μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης. Ουσιαστικά, ο νόμος είναι μια παραλλαγή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής καθώς και της αρχής διατήρησης της ενέργειας.