חוק הס


חוק הס

אחת מהדרכים לדעת מה סימנו וערכו של ΔHº, מהו שינוי האנתלפיה בתגובה מסוימת, הוא לחשב את ערכו .
ישנן מספר דרכים לחשב את ערכו של ΔHº , את שינוי האנתלפיה עבור תהליך כלשהו. אחת מהדרכים היא שימוש בחוק הס.

חוק הס קובע, ששינוי אנרגיה במערכת כלשהי תלוי אך ורק בהפרש האנרגיה בין התוצרים והמגיבים באותה המערכת.

כך שאם ניקח מספר תהליכים, שהסיכום שלהם נותן את המערכת הנתונה, ונסכם את ערכי ה- ΔHº נקבל את ערך ה-ΔHº של התהליך הרצוי.
למשל, ידוע ש:

A(s)    →    A(ℓ)       ΔH°= 20kJ     .I
A(ℓ)    →    A(g)       ΔH°= 50kJ    .II

אם נרצה לחשב את שינוי האנתלפיה (°ΔH) עבור התהליך :

A(s)    →    A(g)   . III

נוכל לבצע סיכום של 2 התהליכים הנתונים:
צמצום משוואות
שימו לב ♥ שבסיכום בצד שמאל מופיעים כל המרכיבים שהיו בצד שמאל בניסוחי התגובה, ובצד ימין בסיכום, מופיעים כל המרכיבים שהיו בצד ימין בניסוחי התגובה.
מותר, וצריך כעת, לצמצם כל מה שאפשר (עשינו זאת בעזרת ) בדיוק כמו שעושים במשוואות מתמטיות. והתוצאה שהתקבלה היא התהליך המבוקש:

A(s)    →    A(g)

ועבורו:

ΔH°= 50kJ + 20kJ = 70kJ

וזהו ערכו של שינוי האנתלפיה עבור התהליך המבוקש.

בואו נראה את זה בעוד דרך אחת, בעזרת הצגה גרפית:

ראשית, נציג גרפית את תהליך I:
הצגה גרפית תהליך Iוכעת, נוסיף את תהליך II
גרף של שני התהליכים

ומתוך הגרף, ניתן לראות את התהליך השלישי, שהוא חיבור של שני התהליכים I ו- II, והוא התהליך הרצוי, זה שרצינו לחשב עבורו את שינוי האנתלפיה.
סכום התהליכיםמתואר באדום, ניתן לראות שהתהליך המבוקש הוא סכום שני התהליכים הנתונים.

לפני שנמשיך לדוגמאות נוספות הקשורות לחוק הס נציין את הדבר הבא,

מותר לבצע סיכום של מספר תהליכים בכימיה, להפוך ניסוח של תהליך לכפול תהליך כל פעולה מתמטית שנעשה לתהליך נעשה גם לערך ה- ΔHº של התהליך כי הרי האנרגיה היא גודל תלוי כמות.

אם נסכום מספר תהליכים, נסכום גם את ערכי ה- ΔHº שלהם, כפי שעשינו בדוגמא מעל.
אם נכפיל תהליך בערך מסוים, נכפיל את ה- ΔHº באותו הערך.

למשל, נתון ש:

A(s)    →    A(ℓ)       ΔHº= 20kJ

אם נכפול את התהליך פי 3 למשל, נקבל:

3A(s)    →    3A(ℓ)       ΔHº= 3x20kJ=60kJ

אם נהפוך תהליך נכפול את ה- ΔHº שלו ב- 1- .

נתון

A(s)    →    A(ℓ)         ΔHº= 20kJ

והתהליך ההפוך:

A(ℓ)    →    A(s)       ΔHº= 1x20kJ= -20kJ

את הדוגמא הזו נדגים גם בעזרת גרף .

אם ידוע שעבור התהליך

A(s)    →    A(ℓ)         ΔHº= 20kJ

הגרף המתאר אותה הוא:
תיאור גרפי של התהליךאז עבור התהליך ההפוך:

A(ℓ)        A(s)

התהליך והתהליך ההפוך

זה בדיוק אותו ערך בגודלו המוחלט, רק שההבדל הוא בסימן  במקרה זה יהיה 20kJ- .
שימו לב לחץ האדום שמתאר את התהליך ההפוך וזכרו שהחץ בגרף הוא בעצם כמו החץ בתהליך. תחילת החץ במגיבים וסוף החץ בתוצרים . גודל החץ זהה בשני הכיוונים, במקרה זה, כי אלא תגובות הפוכות זו לזו, ולכן, ההבדל הוא רק בסימן של ערכו של ה- ΔHº.

נראה כעת מספר דוגמאות וחישוב שינוי אנתלפיית תהליך בעזרת חוק הס.

נתונות התגובות הבאות:

1/8S8(s) + O2(g)    →    SO2(g)        ΔHº1 = -296.9 kJ .I
1/8S8(s) + 3/2O2(g)    →    SO3(ℓ)       ΔHº2 = -395.4 kJ .II

חשב את שינוי האנתלפיה עבור התגובה

SO2(g) + 1/2O2(g)    →    SO3(ℓ)          ΔHº3 = ? kJ . III

דרך העבודה היא באופן הבא :

ראשית נתבונן בתגובה שיש לחשב עבורה את שינוי האנתלפיה, ונבחר לפי הסדר משמאל לימין את החומר הראשון, במקרה זה החומר SO2(g).
כעת נבדוק היכן מופיע החומר הזה בתגובות הנתונות: החומר SO2(g) נמצא בתגובה ה- I.
כעת נבדוק 2 דברים נוספים:
האם הוא נמצא באותו הצד (הימני או השמאלי), כמו שאנו צריכים אותו בתגובה הסופית.
והאם הוא נמצא עם אותו המקדם.
לחלק הראשון של השאלה החומר SO2(g) לא נמצא בתגובה I בצד הרצוי הוא מופיע בצד הימני (התוצרים), בעוד שבתגובה שאנו רוצים לחשב עבורו את שינוי האנתלפיה, הוא נמצא במגיבים בצד הימני. ולכן, אנו נצטרך לרשום את תגובה I מחדש הפוך (לנסח את התגובה הפוך). זאת אומרת, לכפול אותה ב- 1- ולכן גם את שינוי האנתלפיה שלה נכפול ב- 1- .

SO2(g)    →    1/8S8(s) + O2(g)            ΔHº4 = 296.9 kJ . IV

נעבור למרכיב הבא החמצן O2(g). היות והחמצן מופיע בשני התגובות הנתונות (גם בראשונה וגם בשנייה), לא נתייחס אליו בשלב הזה. נעבור לחומר הבא SO3(ℓ). חומר זה נמצא בתגובה השנייה. שוב נבדוק האם הוא נמצא בצד רצוי של התגובה (ימין או שמאל) והאם המקדם שלו הוא כמו המקדם שלו בתגובה שרוצים לחשב עבורה את שינוי האנתלפיה. במקרה זה החומר SO3(ℓ) נמצא גם בצד הרצוי (התוצרים) ועם המקדם הרצוי שהוא 1. ולכן את תגובה 2 לא נשנה.
כעת נעתיק את שתי התגובות אחד מתחת לשני ונסכם אותן.
שימו לב שניתן לצמצם מרכיבים זהים הנמצאים משני צידי החצים ולכן ניתן לצמצם לחלוטין את הגופרית 1/8S8(s), ואילו את החמצן O2(g) , שבצד אחד יש ממנו 1.5 ובצד השני 1 נוכל לצמצם באופן חלקי וישאר בצד שמאל של התגובה 0.5 מהחמצן
חיבור וצמצום משוואותנחזור על השלבים:

  1. בוחרים את אחד החומרים הנמצאים בתגובה, שעבורו רוצים לחשב את שינוי האנתלפיה. יש לבחור בחומרים שמופיעים אם אפשר רק בתגובה אחת מהתגובות הנתונות.
  2. בודקים שהחומר שבחרנו נמצא בצד הנכון. זאת אומרת, שבתגובה שבה הוא מופיע, הוא באותו הצד כמו בתגובה שאנו רוצים לחשב עבורה את שינוי האנתלפיה. אם לא, יש להפוך את התגובה. כמובן שאם הופכים את התגובה, יש לשנות את סימנו של שינוי האנתלפיה (לכפול ב- 1-) של התגובה.
  3. בודקים שהמקדם של החומר שבחרנו בתגובה הנתון, הוא כמו המקדם שלו בתגובה שאנו רוצים לחשב עבורה את שינוי האנתלפיה. אם לא, יש לכפול את התגובה הנתונה כדי שיתקבל מקדם תואם. כמובן שאם כופלים את התגובה יש לכפול גם את שינוי האנתלפיה עבור אותה התגובה .
  4. יש לסכום את התגובות, ולצמצם מרכיבים הנמצאים משני צידי התגובה. לוודא שמתקבלת התגובה הרצויה, וכן לסכום את ערכי שינוי האנתלפיה של התגובות. אז נקבל את ערך שינוי האנתלפיה עבור התגובה הרצויה.

ניתן להציג את הדוגמה שתיארנו כעת גם בהצגה גרפית באופן הבא:

נציין שאם מדובר בתגובות שרק מכפילים אותן ב-1 (נשארים כמו שהם) או ב- 1- (הופכים תגובה), אבל לא כופלים בערך גדול מ- 1 או קטן מ- 1-, ניתן לתאר בהצגה הגרפית את התגובות המקוריות לפני ההפיכה שלהן וזה לא ישנה בפתרון.
נתאר בשלבים את התגובה שאותו הדגמנו:
בשלב הראשון נתאר את אחת מהתגובות

SO2(g)    →    1/8S8(s) + O2(g)            ΔHº4 = 296.9 kJ . IV

תיאור גרפי תהליך IV

כעת, נרצה להוסיף את תגובה III לתיאור הגרפי.
שימו לב ♥ שבתגובה III  יש מגיבים דומים, ההבדל הוא רק בעוד 1/2O2.
כדי לעקוף את זה, נוסיף לתגובה שכבר תארנו כעת 1/2O2 , גם במגיבים, וגם בתוצרים הגרף כעת יראה כך :

תהליך IV עם תוספת 0.5O2

היות והוספנו את אותו המרכיב גם למגיבים וגם לתוצרים, ההפרש באנרגיה הפנימית (באנתלפיה) לא השתנה.

זה כמו במשוואה מתמטית שמוסיפים לשני צידי התהליך את אותו המרכיב.
לדוגמא :
X + 4 = 10
או
X + 4 +3 = 10 + 3

כעת מופיעים בגרף המגיבים של תגובה II ונוכל להוסיף אותה לגרף
הוספת תהליך II לגרףמיקמנו את SO3(ℓ) מתחת ל- SO2(g) + 1/2O2(g), כי ערך החץ האדום הוא 393.5, ואילו החץ הכחול הוא רק 296.9.

כעת נוכל לחשב, ולראות גם בגרף, את התגובה הרצויה, התגובה שאנו מחפשים עבורה את שינוי האנתלפיה, היא תסומן בצבע ירוק :

סימון שינוי האנתלפיה עבור התהליך הרצוי

היות והתגובה עבורה אנו רוצים לחשב את שינוי האנתלפיה היא:

SO2(g) + 1/2O2(g)    →    SO3(ℓ)

החץ בגרף מתחיל מ- SO2(g) + 1/2O2(g) ומופנה ל- SO3(ℓ) .
היות וכיוון החץ הוא כלפי מטה, ניתן לקבוע שהתגובה היא אקסותרמית. לתוצרים אנרגיה פנימית קטנה מהמגיבים.
ערך האנרגיה הוא על פי גודל החיצים. אורך החץ הכחול ועוד אורך החץ הירוק שווים לאורך החץ האדום. ולכן ערכו של החץ הירוק הוא :
395.4 – 296.9 = 98.5
אבל עם סימן – ולכן שינוי האנתלפיה עבור תגובה זו הוא –98.5kJ .
סביר להניח שלא תתבקשו להציג גרפית פתרון של חוק הס. בשיעור הזה אנו נדגים בכל מקרה מספר תרגילים עם פתרון המכיל הצגה גרפית.

המשך התוכן בעמוד זה למנויים (חודשי/שנתי) בלבד

אם הינך מנוי/ה אנא הכנס שם משתמש וסיסמא!

אם אין ברשותך מנוי אנא בדוק/בדקי את תוכניות מנויים