赫斯定律

CIE A-Level 化学· 25 分钟阅读

1. 赫斯定律的定义与核心原理★★☆☆☆⏱ 7 min

📘 定义

赫斯定律

赫斯定律指出，化学反应的总焓变与从初始反应物到最终生成物所经过的路径无关，这是能量守恒定律的推论。

例:

若反应 $A \to C$ 可直接进行，也可经 $A \to B \to C$ 进行，则 $Δ H (A \to C) = Δ H (A \to B) + Δ H (B \to C)$ 。

赫斯定律非常重要，因为许多焓变无法在实验室中直接测量。例如，甲烷的生成焓无法直接测量，因为碳和氢气在标准条件下不会自发反应生成甲烷。赫斯定律让我们可以利用可测量的数据间接计算出该数值。

📐 例题

已知： $Δ H_{1}$ 对应 $C (s) + O_{2} (g) \to C O_{2} (g) = - 393$ kJ mol⁻¹， $Δ H_{2}$ 对应 $C O (g) + \frac{1}{2} O_{2} (g) \to C O_{2} (g) = - 283$ kJ mol⁻¹。计算反应 $C (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) \to C O (g)$ 的 $Δ H$ 。

1
构建焓循环：目标反应生成CO，CO可进一步燃烧生成 $C O_{2}$ ，另一条路径是C直接燃烧生成 $C O_{2}$ 。根据赫斯定律： $Δ H_{target} + Δ H_{2} = Δ H_{1}$
2
整理方程求解 $Δ H_{target}$ ：
3
$\Delta H_{\text{target}} = \Delta H_1 - \Delta H_2$
4
代入已知数值：
5
$\Delta H_{\text{target}} = (-393) - (-283) = -110 \text{ kJ mol}^{-1}$

Exam tip:

务必清晰标注焓循环中所有箭头，避免符号错误

2. 生成焓与燃烧焓对应的焓循环★★★☆☆⏱ 8 min

CIE考试最常要求考生利用两类表格数据计算反应焓变：标准生成焓和标准燃烧焓，两者都有可直接由赫斯定律推导出的标准公式：

从生成焓计算： $Δ H_{r} = \sum Δ H_{f} (products) - \sum Δ H_{f} (reactants)$
从燃烧焓计算： $Δ H_{r} = \sum Δ H_{c} (reactants) - \sum Δ H_{c} (products)$

📐 例题

计算丙烯燃烧的焓变，反应式为： $C_{3} H_{6} (g) + \frac{9}{2} O_{2} (g) \to 3 C O_{2} (g) + 3 H_{2} O (l)$ 。使用以下 $Δ H_{f}$ 数值（单位：kJ mol⁻¹）： $C_{3} H_{6} (g) = + 20$ ， $C O_{2} (g) = - 393$ ， $H_{2} O (l) = - 286$ ， $O_{2} (g) = 0$ 。

1
应用由生成焓计算反应焓变的公式：
2
$\Delta H_r = \sum \Delta H_f(\text{products}) - \sum \Delta H_f(\text{reactants})$
3
计算生成物焓变总和：
4
$3 \times (-393) + 3 \times (-286) = -2037 \text{ kJ mol}^{-1}$
5
计算反应物焓变总和：
6
$\Delta H_f(C_3H_6) + \frac{9}{2} \times \Delta H_f(O_2) = 20 + 0 = 20 \text{ kJ mol}^{-1}$
7
代入公式：
8
$\Delta H_r = -2037 - 20 = -2057 \text{ kJ mol}^{-1}$

3. 多步反应的焓变计算★★★★☆⏱ 10 min

当题目给出多个反应方程式，要求你计算目标反应的焓变时，你可以按照以下步骤调整并加和已知方程式：

写出化学计量正确的目标反应方程式
调整每个已知反应：必要时反转反应，并改变 $Δ H$ 的符号
调整系数匹配目标反应，并按相同比例缩放 $Δ H$ 的数值
将所有调整后的反应和对应的 $Δ H$ 数值相加，得到最终结果

📐 例题

已知：1) $2 S O_{2} (g) + O_{2} (g) \to 2 S O_{3} (g) Δ H = - 196$ kJ mol⁻¹ 2) $2 S O_{2} (g) + O_{2} (g) + 2 H_{2} O (l) \to 2 H_{2} S O_{4} (a q) Δ H = - 544$ kJ mol⁻¹ 计算反应 $S O_{3} (g) + H_{2} O (l) \to H_{2} S O_{4} (a q)$ 的 $Δ H$ 。

1
反转反应1并将所有系数除以2，改变符号并将 $Δ H$ 减半：
2
$SO_3(g) \rightarrow SO_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \quad \Delta H_1 = +98 \text{ kJ mol}^{-1}$
3
将反应2除以2，保持反应方向不变，将 $Δ H$ 减半：
4
$SO_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) + H_2O(l) \rightarrow H_2SO_4(aq) \quad \Delta H_2 = -272 \text{ kJ mol}^{-1}$
5
将两个调整后的反应相加，消去两边相同的物质：
6
$SO_3(g) + H_2O(l) \rightarrow H_2SO_4(aq)$
7
将焓变数值相加得到最终结果：
8
$\Delta H = +98 + (-272) = -174 \text{ kJ mol}^{-1}$

Exam tip:

消去物质后，务必检查最终方程式是否与目标反应完全一致

4. 常见陷阱

错误做法:

使用 $Δ H_{r} = \sum Δ H_{c} (products) - \sum Δ H_{c} (reactants)$

原因:

由于焓循环的构建方式不同，燃烧焓对应的公式顺序与生成焓相反

正确做法:

燃烧焓计算始终使用 $Δ H_{r} = \sum Δ H_{c} (reactants) - \sum Δ H_{c} (products)$

错误做法:

反转反应时忘记改变 $Δ H$ 的符号

原因:

反转反应会交换反应物和生成物，因此焓变的方向也会反转

正确做法:

在赫斯定律计算中反转反应时，务必改变 $Δ H$ 的符号

错误做法:

调整反应化学计量比时没有按比例缩放 $Δ H$

原因:

焓变是广度量，与反应的物质的量成正比

正确做法:

如果将反应系数乘以 $n$ ，则 $Δ H$ 也乘以 $n$ ，除以系数同理

错误做法:

假设所有元素无论处于什么状态， $Δ H_{f}$ 都等于0

原因:

只有处于标准态（最稳定状态）的元素的 $Δ H_{f}$ 才为0

正确做法:

例如， $Δ H_{f}$ of $C l (g)$ 不为零，只有 $C l_{2} (g)$ 有 $Δ H_{f} = 0$

错误做法:

焓循环中箭头方向画错

原因:

箭头方向决定了 $Δ H$ 是加还是减，会导致符号错误

正确做法:

画箭头时，从反应物指向其组成元素，或从所有燃烧产物指向反应物种

5. 速查表

计算类型	公式
由生成焓计算焓变	$Δ H_{r} = \sum Δ H_{f} (products) - \sum Δ H_{f} (reactants)$
由燃烧焓计算焓变	$Δ H_{r} = \sum Δ H_{c} (reactants) - \sum Δ H_{c} (products)$
反转反应	$Δ H_{new} = - Δ H_{old}$
按比例缩放反应	$Δ H_{new} = n \times Δ H_{old}$
多步反应	$Δ H_{target} = \sum (adjusted Δ H values)$

下一步

赫斯定律是CIE A-Level化学中所有后续焓变和能量计算的基础，直接衔接后续主题，包括键焓、晶格焓的玻恩-哈伯循环，以及吉布斯自由能计算。掌握赫斯定律的符号规则和焓循环构建对于避免在选择题和结构题中丢失简单分数至关重要。状态函数变化与路径无关的核心原理也可应用在电化学中，通过半电极电势计算电池电势，因此这是整个大纲中都可迁移的技能。你可以通过以下主题继续拓展知识：