Кажется, что теплота, выделяющаяся при горении, возникает ниоткуда, подобно предметам, появляющимся из шляпы фокусника. Эта теплота заключена в химических связях

ГЕРМАН ИВАНОВИЧ ГЕСС

(1802—1850)

«Каким бы ни было исследуемое вещество, термохимия открывает новые возможности для наших исследова­ний. Она по своей природе является для химии тем же, чем микроскоп для натуралиста, подзорная труба для аст­ронома» — такие слова прочёл фран­цузский физик и астроном Доминик Франсуа Араго в письме, полученном в январе 1841 г. от Германа Гесса.

Предшествующий, 1840 г., стал для русского учёного поистине «звёздным». Он сформулировал два основных зако­на термохимии: закон постоянства сумм тепла и закон термонейтральности. Согласно первому, количество тепла, выделяющееся в ходе химической реак­ции, зависит только от природы ис­ходных веществ и продуктов реакции и не зависит от промежуточных хими­ческих превращений в системе. В соот­ветствии со вторым, при смешении растворов двух нейтральных солей, об­разующих при обменном разложении

две новые соли, изменения температуры не происходит. Тем самым Гесс вошёл в число создателей современной термо­химии. В истории отечественной науки его роль трудно переоценить: именно он положил начало систематическим химическим исследованиям в России и в огромной степени способствовал раз­витию химического образования.

С Россией связана вся жизнь Гесса. Когда мальчику исполнилось три го­да, его отец, швейцарский художник, навсегда переселился в нашу страну. В 1825 г. Гесс окончил Дерптский уни­верситет со степенью доктора медици­ны. Как «особо талантливому и одарён­ному учёному» ему предоставили командировку в стокгольмскую лабо­раторию Якоба Берцелиуса. Именно там у молодого практиканта возник ин­терес к изучению тепловых явлений, сопровождающих химические процес­сы. Так что вернувшись в Петербург, Гесс уже чётко видел цель своих буду­щих исследований.

В 1831 г. он написал «Основания чистой химии» — фактически первый

оригинальный учебник по химии на русском языке. Книга выдержала семь изданий (последнее — в 1849 г.). По ней училось целое поколение россий­ских химиков, в том числе и Дмитрий Иванович Менделеев. Между прочим, в седьмом издании Гесс предпринял первую в России попытку системати­зации химических элементов, объеди­нив все известные неметаллы в пять групп. Он полагал, что «подобная классификация может быть распро­странена и на металлы». Велики заслу­ги Гесса и в создании русской химиче­ской номенклатуры.

«Гесс имел характер прямой и благородный, душу, открытую для воз­вышеннейших человеческих наклон­ностей... Мы имели случай не раз удив­ляться гибкости, своеобразности и глубине его ума, разносторонности его познаний, правильности его возра­жений и искусству, с которым он умел по воле своей направлять и услаждать беседу» — такие проникновенные сло­ва написал один из его друзей после кончины учёного.

Отметим, что реакции, в которых исходные вещества и продукты нахо­дятся в жидком или твёрдом состоя­нии, протекают без существенных изменений объёма, т. е. D V» 0 и pAV» 0. Для таких процессов D H» D U. Если же в реакции участвуют газы, то изменение объёма может быть значи­тельным, и в этом случае D Н и D U сильно отличаются.

Внутреннюю энергию и энталь­пию, как правило, выражают в кило­джоулях на моль исходного или по­лученного вещества.

Тепловой эффект химической ре­акции называется стандартным (обо­значается символом «°», например D Н°), если все участники реакции на­ходятся в стандартных состояниях.

ЗАКОН ГЕССА

Важнейшим постулатом термохимии является закон Гесса, или закон посто­янства сумм тепловых эффектов ре­акций, установленный в 1840 г. русским химиком Германом Ивановичем Гессом. Он гласит:

Тепловой эффект химиче­ской реакции зависит только от начального и конечного состояний системы и не за­висит от промежуточных химических превращений в системе (т. е. от пути перехо­да от начального состояния к конечному).

При этом исходные вещества и продукты должны находиться в оди­наковых условиях (давление, темпе­ратура). Закон Гесса, хотя и был сформулирован раньше первого за­кона термодинамики, по сути, явля­ется его следствием и отражает тот факт, что тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энер­гии или энтальпии, которые есть функции состояния, не зависящие от пути перехода из одного состояния в другое.

Закон Гесса позволяет вычислять тепловые эффекты реакций, если по

* Стандартным состояни­ем в термодинамике счита­ется состояние вещества при давлении 1,013•10⁵ Па (1 атм) и заданной темпера­туре (обычно 25 °С, или 298,15 К), а для твёрдых простых веществ — наибо­лее устойчивая аллотропная модификация (например, для углерода — графит, а не алмаз). Исключением является фосфор, для кото­рого выбирается не наибо­лее устойчивая, а наиболее воспроизводимая модифи­кация — белый фосфор. Эн­тальпия образования про­стых веществ в стандартном состоянии принимается равной нулю.

какой-либо причине это невозможно сделать экспериментально. Для этого «неизмеряемую» реакцию нужно скомбинировать из нескольких «изме­ряемых». Например, непосредственно измерить тепловой эффект реакции С (тв)+0,5О₂ (г)®СО (г) при сжи­гании твёрдого углерода (тв) в экви­валентном количестве газообразного кислорода (г) не удаётся, поскольку наряду с СО всегда образуется и СО₂. Однако тепловой эффект данной ре­акции можно рассчитать, измерив его у двух других реакций:

С (тв)+О₂ (г) ®СО₂ (г) D Н°= -393,5 кДж/моль

СО (г) + 0,5О₂ (г) ®СО₂ (г) D Н°= -283,0 кДж/моль.

Вычитая из первого уравнения второе, получим искомое уравнение и искомый тепловой эффект:

С (тв) + 0,5 О₂ (г) ® СО (г) D Н° = -110,5 кДж/моль.

Все три реакции горения протекают с выделением тепла, т. е. являются экзо­термическими. Знак «минус» показы­вает, что теплота уходит из системы.

ЧЕЛОВЕК

КАК ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Первый закон термодинамики со­блюдается для любых систем, в том числе и живых организмов.

Протекание жизненных процес­сов требует затрат энергии. Единст­венным источником энергии для жи­вого организма служит пища. Хорошо знакомая всем калорийность пище­вых продуктов — не что иное, как теплота их сгорания, которую можно измерить в калориметрической бом­бе (см. дополнительный очерк «Как измеряют теплоту»).

Ранее теплоту измеряли в калори­ях. Теперь общепринятой единицей для всех видов энергии становится