"" allahindlus
Hessi seadus: energia jäävuse seaduse olulisus keemilistes reaktsioonides
Pengantar
Keemia ei seisne ainult värvimuutustes, kujundites ja hämmastavates reaktsioonides katseklaasis. Iga keemilise reaktsiooni taga on põhiprintsiibid, mis reguleerivad aine ja energia käitumist. Üks neist põhiprintsiipidest on Hessi seadus, millel on oluline roll energia keemiliste reaktsioonide käigus toimuva kaasamise ja ülekandmise mõistmisel.
Hessi seaduse definitsioon
Hessi seadus, mis on nimetatud vene keemiku Germain Henri Hessi järgi, on üks termokeemia alustalasid. See seadus sätestab, et keemilise reaktsiooni ajal tekkiv entalpia kogumuutus on sama, olenemata reaktsiooniteest või etappidest. Teisisõnu, kui algreaktsioon ja lõppsaadused jäävad samaks, siis jääb ka vajalik või vabanev energia koguhulk konstantseks.
Matemaatiliselt saab Hessi seadust selgitada järgmiselt:
\[ \Delta H_{kokku} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 + \ldots + \Delta H_n \]
Kus \(\DeltaH\) on entalpia muutus igal reaktsiooniastmel.
Hessi seaduse põhiprintsiibid
Hessi seadus on tegelikult energia jäävuse seaduse rakendus keemias. Energia jäävuse seaduse kohaselt ei saa energiat tekkida ega hävida – see saab ainult muutuda ühest vormist teise. Keemiliste reaktsioonide kontekstis väljendatakse seda energiat tavaliselt entalpia (H) kujul, mis mõõdab süsteemis salvestatud koguenergiat.
Kui keemilist reaktsiooni saab ümber korraldada mitmeks väiksemaks etapiks, mis erinevad otsesest reaktsioonist, siis saame iga väiksema etapi entalpia muutused summeerida, et saada kogu entalpia muutus. See tähendab, et keerulise reaktsiooni kogu entalpia arvutamiseks lahutame seda moodustavate lihtsamate reaktsioonide entalpiad.
Hessi seaduse rakendamine
Hessi seadusel on palju praktilisi rakendusi keemia erinevates valdkondades, millest mõned hõlmavad järgmist:
1. Reaktsioonientalpia arvutamine
Kui puutume kokku reaktsiooniga, mille entalpia muutust on keeruline otseselt mõõta, võimaldab Hessi seadus meil reaktsiooni jagada lihtsamateks etappideks, mille entalpia muutusi on lihtsam mõõta või teada saada olemasolevate termokeemiliste andmete põhjal.
Näide: Oletame, et tahame määrata reaktsiooni entalpia muutust (\(\Delta H\)):
\[ C(s) + 1/2 \, O_2(g) \rightarrow CO(g) \]
Me saame selle reaktsiooni jagada järgmiselt:
\[C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \quad (\Delta H = -393.5 \; \text{kJ/mol}) \]
\[CO_2(g) \rightarrow CO(g) + 1/2 \, O_2(g) \quad (\Delta H = +283.0 \; \text{kJ/mol}) \]
Hessi seaduse kohaselt on kogu entalpia muutus:
\[ \Delta H = -393.5 \; \tekst{kJ/mol} + 283.0 \; \tekst{kJ/mol} = -110.5 \; \text{kJ/mol} \]
2. Sidemeenergia määramine
Hessi seadust kasutatakse sageli ka selliste sidemete energiate määramiseks, mida ei saa otseselt mõõta. Kasutades teadaolevate reaktsioonide entalpiaandmeid ja mitmesuguseid eeldusi või muid kalibreerimismeetodeid, saavad teadlased hinnata keemiliste sidemete purunemise ja moodustumisega seotud energiaid.
3. Lahenduste termodünaamika uurimine
Farmaatsias ja analüütilises keemias aitab Hessi seadus mõista ainete lahustumist ja agregatsiooni (sidumist). Näiteks aitab see eristada ravimi entroopiat (ΔS) ja entalpiat (ΔH) erinevates lahustites lahustumisel.
Ajalugu ja areng
Hessi seaduse sõnastas esmakordselt Germain Henri Hess 1840. aastal. Sel ajal märkis Hess, et konstantsel rõhul keemilise reaktsiooni käigus eralduv või neelduv soojus on sama, olenemata sellest, kas reaktsioon toimub otse või mitmete etappide kaudu.
Tema avastus sillutas teed termokeemia uurimise edasisele arengule, sealhulgas teistele olulistele kontseptsioonidele, nagu olekufunktsioonid, kus suurus ei sõltu sellest, kuidas süsteem sellesse olekusse jõudis, vaid ainult alg- ja lõppolekust.
Hessi seaduse kasutamise numbriline näide
Hessi seaduse rakendamise konkreetse näitena arvutame metaani põlemisel süsinikdioksiidiks ja veeks tekkiva entalpia muutuse:
\[ CH_4(g) + 2 \, O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2 \, H_2O(g) \]
Etapid on järgmised:
1. Metaani põlemine süsinikdioksiidiks ja veeks:
\[ CH_4(g) + 2 \, O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2 \, H_2O(g) \quad (\Delta H_{reaktsioon?}) \]
2. Me teame:
\[CH_4(g) + 2 \, O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2 \, H_2O(l) \quad (\Delta H = -890.3 \; \text{kJ/mol}) \]
Seejärel:
\[H_2O(l) \rightarrow H_2O(g) \quad (\Delta H_{aur} = +44.0 \; \text{kJ/mol}) \]
Hessi seaduse kasutamine:
\[ \Delta H = -890.3 \; \text{kJ/mol} + 2 \cdot 44.0 \; \text{kJ/mol} = -802.3 \; \text{kJ/mol} \]
Seega saab metaani põlemisel süsinikdioksiidiks ja veeks erinevatel reaktsioonitingimustel tekkivat entalpia muutust Hessi seaduse abil hõlpsalt arvutada.
Järeldus
Hessi seadus annab sügava ülevaate energia jäävusest keemilistes reaktsioonides ning aitab keemiateadlastel ja praktikutel mõista ja ennustada erinevate reaktsioonide termokeemilist käitumist. Hessi seaduse põhimõtete abil saab mikroskoopilisel tasandil toimuvaid energiamuundumusi suure täpsusega arvutada ja analüüsida, mis võimaldab edasist arengut keemia, füüsika ja materjalitehnoloogia erinevates valdkondades.
Hessi seaduse hea mõistmisega saavad mitte ainult keemikud, vaid ka erinevate valdkondade teadlased uurida ja manipuleerida keemilisi reaktsioone mitmesuguste praktiliste rakenduste jaoks, alates keemilisest sünteesist kuni energiatehnoloogia uuendusteni.
""
See artikkel võtab kokku Hessi seaduse definitsiooni, põhiprintsiibid, praktilised rakendused, ajaloo ja konkreetsed näited termokeemias. Loodame, et see aitab teil seda olulist keemia kontseptsiooni mõista ja rakendada.
