通常把能表示出化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)之間的關(guān)系的方程式,稱作熱化學(xué)反應(yīng)方程式。例如:
(1)C(石墨)+O2(g)=CO2(g) △H1=-393.5kJ/mol
(2)C(金剛石)+O2(g)=CO2(g) △H2=-395.4kJ/mol
(3)H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) △H3=-241.8kJ/mol
(4)H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) △H4=-285.8kJ/mol
(5)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H5=-571.6kJ/mol
由于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)除與反應(yīng)進(jìn)行的條件(如溫度、壓力等)有關(guān)外,還與反應(yīng)物、生成物的數(shù)量、狀態(tài)等有關(guān),因而在書寫熱化學(xué)反應(yīng)方程式時應(yīng)注意如下三點(diǎn):
(1)注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)。因?yàn)榫奂癄顟B(tài)不同,相應(yīng)應(yīng)的能量也不同。一般用g,l,s表示氣、液液、固三種狀態(tài),用aq表示水溶液等,標(biāo)注在該物質(zhì)化學(xué)式的后面。此外如果一種固體物質(zhì)可能有幾種晶型,則應(yīng)注明是哪種晶型。從方程式(1)和(2)可以看出注明物質(zhì)晶型的必要性,從方程式(3)和(4)可以看出注明物質(zhì)聚集狀態(tài)的必要性。
(2)注明反應(yīng)的溫度和壓力。如果反應(yīng)是在298.15K和100kPa下進(jìn)行的,則按習(xí)慣可不注明。壓力力對熱效應(yīng)的影響不大。溫度對化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)有影響,但也不大。在本書中,可近似認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)不隨溫度改變。
(3)正確寫出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式。方程式中各物質(zhì)前的計量系數(shù)表示物質(zhì)的量,它可以是整數(shù),也可以不是整數(shù)。同一反應(yīng),以不同的計量方程式表示時,其熱效應(yīng)數(shù)值是不同的。從方程式(4)和(5)可以看出注明化學(xué)計量數(shù)的必要性。
化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)可以用實(shí)驗(yàn)的方法測量得到,但是許多化學(xué)反應(yīng)由于反應(yīng)時間長,條件難以控制等原因,無法準(zhǔn)確測量得到熱效應(yīng)。1840年,瑞士的俄裔化學(xué)家蓋斯(G.H.Hess)在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上提出,在恒容或者恒壓的條件下,一個化學(xué)反應(yīng)不管是一步完成的,還是多步完成的,其熱效應(yīng)總是相同的。這就是蓋斯定律。蓋斯定律是能量守恒定律的一種特殊的表現(xiàn)形式式。利用這一定律可以從已經(jīng)精確測定的反應(yīng)的熱效應(yīng)來計算難難于測量或不能測量的反應(yīng)的熱效應(yīng),可以從已知化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)計算某些未知反應(yīng)的熱效應(yīng)。
例1-8 已知:C(s)+O2(g)=CO2(g) △H1=-393.5kJ/mol
CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) △H2=-283.0kJ/mol
求反應(yīng):C(s)+1/2O2(g)=CO(g)的△H是多少?
解:反應(yīng)途徑為
根據(jù)蓋斯定律: △H1=△H2+△H
所以 △H=△H1-△H2=-393.5-(-283.0)=-110.5kJ/mol
例1-9 已知:
CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol
C(s)+O2(g)=CO2(g) △H2=-393 5kJ/mol
H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) △H3=-285.8kJ/mol
求反應(yīng):C(s)+2H2(g)=CH4(g)的△H是多少?
解:反應(yīng)途徑為
根據(jù)蓋斯定律: △H1+△H=△H2+2△H3
△H=△H2+2△H3-△H1
=-393.5+2×(-285.8)-(-890.3)
=-74.8kJ/mol