碳、一氧化碳与二氧化碳的赫斯定律
了解赫斯定律如何连结碳经由一氧化碳生成二氧化碳时的能量变化。内容包括逐步解析的例题、常见陷阱,以及具挑战性的 HSC 化学题目。
一块碳可以直接燃烧生成二氧化碳,也可以先生成一氧化碳,再进一步燃烧。这里有一个值得思考的问题:如果碳的初始状态相同,最后也都变成相同的二氧化碳,那么无论采用直接途径,还是分成两个步骤的途径,释放的总能量是否都应该相同?
继续阅读之前,先预测一下。你可能会直觉地认为,分步进行的途径所释放的能量可能不同,因为当中发生了两个反应,而不是一个。
其实并不会。只要初始状态和最终状态相同,总焓变就会相同。这个简单的概念,正是赫斯定律(Hess’s Law)发挥作用的关键。
01碳与氧的反应途径
考虑石墨的完全燃烧:
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \]
一个具有代表性的标准焓变值为
\[ \Delta H = -393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
这里的 \(\Delta H\) 表示按照所写反应方程式进行反应时的焓变。单位 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 表示每摩尔反应所对应的千焦耳数。
负号表示能量会释放到周围环境中。生成物的焓低于反应物的焓。
不过,碳不一定要经过单一步骤才能生成二氧化碳。它可以先形成一氧化碳:
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
其焓变为
\[ \Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
接著,一氧化碳可以继续燃烧:
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \]
这第二个反应的焓变应该是多少?
先不要计算。试著在脑海中想像整个能量途径。

想像一部电梯从十楼前往地面。它可以直接向下,也可以在三楼尴尬地停下来,让所有人疑惑地想:「这里真的是我们要去的楼层吗?」无论如何,电梯的总高度变化都相同。
焓的原理也类似。这个比喻有用,因为计算总变化时,重要的只有起始和结束的能量层级。不过,这个比喻也有局限,因为焓并不是真的高度,而反应机理也不是电梯行走的路线。
因此,直接途径的焓变必须等于两个步骤的焓变总和:
\[ -393.5=-110.5+\Delta H_2 \]
所以
\[ \Delta H_2=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
因此,一氧化碳的氧化反应为
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
请注意一个重要的地方。生成一氧化碳所需的氧气只有直接生成二氧化碳时的一半,但释放的能量并不是一半。
这是常见的陷阱。
02为什么赫斯定律成立
焓是一种状态函数。焓变取决于初始状态和最终状态,而不是从初始状态到达最终状态时所经过的反应顺序。
直接途径为
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \]
而分步途径则是
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
接著进行
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \]
将这两个分步反应的方程式相加,得到
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) + CO(g) + 1/2O2(g) -> CO(g) + CO2(g)} \]
\(\ce{CO(g)}\) 同时出现在等式两边,因此可以约去。两个半摩尔的氧气合并后,得到
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \]
这与直接反应完全相同。
因此,焓变也必须相加:
\[ \Delta H_{\text{direct}} = \Delta H_1+\Delta H_2 \]
这就是赫斯定律在 HSC 化学中最实用的形式。
如果想进一步了解如何建构反应途径,请参阅赫斯定律:HSC 化学中的分步反应。
03反应方程式是焓变数值的一部分
焓变数值并不是模糊地属于某种物质,而是对应于一个特定的反应方程式。
假设
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
如果所有化学计量系数都加倍,
\[ \ce{2CO(g) + O2(g) -> 2CO2(g)} \]
那么反应进行的量也加倍,因此
\[ \Delta H=-566.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
这就是加倍后的反应方程式所对应的焓变。
如果将反应反向书写,
\[ \ce{CO2(g) -> CO(g) + 1/2O2(g)} \]
原本释放的能量现在必须由外界提供:
\[ \Delta H=+283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
值得将这些操作视为几条计算规则。
| 对化学反应方程式所做的变更 | 对 \(\Delta H\) 所做的变更 |
|---|---|
| 将反应方程式反向书写 | 将焓变的正负号反转 |
| 将所有系数乘以 \(n\) | 将 \(\Delta H\) 乘以 \(n\) |
| 将反应方程式相加 | 将各方程式的 \(\Delta H\) 相加 |
| 约去等式两边相同的物种 | 该物种的贡献会从总反应方程式中消失 |
先处理反应方程式,再进行算术运算。
例题:求一氧化碳燃烧的焓变
已知以下数据:
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
计算以下反应的焓变:
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \]
步骤 1
直接途径的焓变必须等于「碳生成 CO」与「CO 生成 \(\ce{CO2}\)」这两个步骤的焓变总和:
\[ -393.5=-110.5+\Delta H \]
步骤 2
\[ \Delta H=-393.5-(-110.5) \]
\[ \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
步骤 3
负值表示,按照该反应方程式氧化一摩尔 CO 时,会释放 \(283.0\ \mathrm{kJ}\) 的能量。
结果也通过了一项实用的检查:
\[ -110.5+(-283.0)=-393.5 \]
分两步进行的反应途径,得到的焓变与直接途径完全相同。
04有时必须先将反应方程式反向
许多赫斯定律题目之所以比较困难,只是因为题目提供的反应方程式方向不符合我们的需要。
假设你知道
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
以及
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
但你想求的是
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
先看看目标反应。CO 必须出现在生成物一侧,但在第二个已知反应中,CO 却是反应物。因此,必须将第二个反应方程式反向书写。
例题:求 CO 的生成焓变
使用上述数据,计算以下反应的 \(\Delta H\):
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
步骤 1
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
步骤 2
\[ \ce{CO2(g) -> CO(g) + 1/2O2(g)} \]
反向书写反应方程式时,焓变的正负号也必须反转:
\[ \Delta H=+283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
步骤 3
\[ \begin{aligned} \ce{C(graphite) + O2(g)} &\ce{-> CO2(g)}\\ \ce{CO2(g)} &\ce{-> CO(g) + 1/2O2(g)} \end{aligned} \]
约去 \(\ce{CO2(g)}\),再约去等式两边的半摩尔氧气。最后得到的总反应方程式为
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
步骤 4
\[ \Delta H = -393.5+283.0 = -110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
这个反应是放热反应,但与碳完全氧化成二氧化碳相比,释放的能量少得多。
05为什么氧气用量减半,不代表能量也减半
学生可能会这样推理:
生成 CO 需要 \(0.5\) mol 的 \(\ce{O2}\),而生成 \(\ce{CO2}\) 需要 \(1.0\) mol,因此 CO 反应释放的能量应该只有一半。
这种想法看似合理,因为化学计量中的物质用量经常会按比例影响反应数值。问题在于,这两个反应并不是同一个反应将系数缩小至一半的结果。
比较以下两个反应:
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \]
以及
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \]
两者的生成物是不同的物质。CO 仍然可以继续与氧气反应,并额外释放 \(283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 的能量。
因此,你不能只根据反应方程式中出现多少摩尔的氧气,就计算反应焓变。
焓变来自完整初始状态与最终状态之间的差异。
这也解释了为甚么一氧化碳并不只是「能量只有一半的二氧化碳」。它是一种独立的化学物质,具有自己的焓。
06实用的能量核算检查
假设有 \(0.240\ \mathrm{mol}\) 的碳,先完全转化成 CO,再将所有 CO 氧化成二氧化碳。
对于第一个步骤,
\[ q_1 = n\Delta H = (0.240\ \mathrm{mol})(-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -26.52\ \mathrm{kJ} \]
这里的 \(q_1\) 是 \(0.240\ \mathrm{mol}\) 样本的焓变,而 \(n\) 是参与反应的物质的量,以摩尔为单位。
对于第二个步骤,
\[ q_2 = (0.240\ \mathrm{mol})(-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -67.92\ \mathrm{kJ} \]
总焓变为
\[ q_{\text{total}} = -26.52-67.92 = -94.44\ \mathrm{kJ} \]
现在计算直接途径:
\[ q_{\text{direct}} = (0.240\ \mathrm{mol})(-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -94.44\ \mathrm{kJ} \]
初始状态相同。最终状态相同。总焓变也相同。
在考试计算中,这个等式是非常有效的错误检查方法。
07状态必须确实相同
「初始状态和最终状态相同」这句话包含一项重要的限制条件。
状态不仅涉及化学式。
例如,在 \(298\ \mathrm{K}\) 下的
\[ \ce{CO2(g)} \]
与在 \(600\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{CO2(g)}\),并不是相同的热力学状态。温度较高的二氧化碳具有较多的热能。
同样地,在赫斯循环中,不能直接将 \(\ce{H2O(l)}\) 和 \(\ce{H2O(g)}\) 视为相同的状态。物质的物理状态改变本身就会伴随焓变。
因此,在将反应方程式相加之前,请检查以下各项:
- 化学式;
- 物理状态;
- 物质的量;
- 反应方向;以及
- 任何已注明、会影响所定义状态的温度或其他条件。
如果两条反应途径的最终状态不同,导致它们看起来得出不同结果,这并不表示赫斯定律失效。真正的问题是比较本身并不完整。
08赫斯定律与键焓
赫斯定律和键焓计算彼此相关,但两者并不是相同的方法。
使用赫斯定律时,你会组合已知的反应焓变,使不需要的物种互相约去,最后只留下目标反应。
使用平均键焓时,你会根据断开化学键所需的能量,以及形成新化学键时释放的能量,估算焓变。由于平均键焓是不同分子中相应键焓的平均值,因此计算结果通常只是估算值。
如果这两种方法的差异令你感到困惑,请参阅键焓与 HSC 化学中的能量守恒。
09题目与解答
题目 1
以下反应具有相应的焓变:
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
计算以下反应的 \(\Delta H\):
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \]
解答 1
焓变为 \(-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
碳直接转化成 \(\ce{CO2}\) 的途径,其焓变等于碳转化成 CO 的步骤与 CO 转化成 \(\ce{CO2}\) 的步骤之焓变总和:
\[ -393.5=-110.5+\Delta H \]
因此,
\[ \Delta H = -393.5+110.5 = -283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
负号表示 CO 的氧化反应是放热反应。
一个容易犯的错误,是因为只有半摩尔氧气参与反应,就将 \(-393.5\) 除以二。这种做法并不成立,因为两个反应的生成物不同;其中一个反应以 CO 为终点,另一个则以 \(\ce{CO2}\) 为终点。
题目 2
有一份 \(0.300\ \mathrm{mol}\) 的石墨样本,按照以下反应完全转化成 CO:
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
之后,只有 \(70.0\%\) 的 CO 会继续反应:
\[ \ce{CO(g) + 1/2O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
计算:
a. 最终 CO 和 \(\ce{CO2}\) 的物质的量;
b. 两个阶段的总焓变;以及
c. 如果之后将所有剩余的 CO 氧化成 \(\ce{CO2}\),额外的焓变是多少。
解答 2
最终混合物含有 \(0.0900\ \mathrm{mol}\) 的 CO 和 \(0.210\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。前两个阶段共释放 \(92.58\ \mathrm{kJ}\) 的能量,而将剩余的 CO 完全氧化,还会额外释放 \(25.47\ \mathrm{kJ}\) 的能量。
首先,全部 \(0.300\ \mathrm{mol}\) 的碳都会转化成 CO。
接著发生反应的 CO,其物质的量为
\[ n(\ce{CO\ reacted}) = 0.700(0.300) = 0.210\ \mathrm{mol} \]
由于第二个反应方程式中 CO 与 \(\ce{CO2}\) 的摩尔比为 \(1:1\),
\[ n(\ce{CO2})=0.210\ \mathrm{mol} \]
而剩余的 CO 为
\[ n(\ce{CO}) = 0.300-0.210 = 0.0900\ \mathrm{mol} \]
对于第一个反应,
\[ q_1 = (0.300\ \mathrm{mol})(-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -33.15\ \mathrm{kJ} \]
对于参与第二个反应的 \(0.210\ \mathrm{mol}\) CO,
\[ q_2 = (0.210\ \mathrm{mol})(-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -59.43\ \mathrm{kJ} \]
因此,
\[ q_{\text{total}} = -33.15-59.43 = -92.58\ \mathrm{kJ} \]
剩余的 \(0.0900\ \mathrm{mol}\) CO 仍然可以继续氧化:
\[ q_{\text{remaining}} = (0.0900\ \mathrm{mol})(-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -25.47\ \mathrm{kJ} \]
一个常见的错误做法,是直接将 \(-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 用于全部 \(0.300\ \mathrm{mol}\) 的碳。这个数值只适用于所有碳最后都变成 \(\ce{CO2}\) 的情况。在这里,第二个阶段结束后,部分碳仍然以 CO 的形式存在。
最后可以进行以下检查:
\[ -92.58-25.47=-118.05\ \mathrm{kJ} \]
而 \(0.300\ \mathrm{mol}\) 碳直接燃烧时,会得到
\[ (0.300)(-393.5) = -118.05\ \mathrm{kJ} \]
因此,整个能量核算是一致的。
题目 3
使用以下焓变数据:
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
计算以下反应的焓变:
\[ \ce{C(graphite) + CO2(g) -> 2CO(g)} \]
并从碳与氧的能量途径角度,解释为甚么你的答案正负号在化学上是合理的。
解答 3
该反应的 \(\Delta H=+172.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),因此它是吸热反应。
目标反应的生成物包含两摩尔 CO。将生成 CO 的反应方程式加倍:
\[ \ce{2C(graphite) + O2(g) -> 2CO(g)} \]
其焓变也必须加倍:
\[ \Delta H = 2(-110.5) = -221.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
目标反应还要求 \(\ce{CO2}\) 作为反应物,因此需要将完全燃烧的反应方程式反向书写:
\[ \ce{CO2(g) -> C(graphite) + O2(g)} \]
反向书写会改变焓变的正负号:
\[ \Delta H=+393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
将反应方程式相加:
\[ \begin{aligned} \ce{2C(graphite) + O2(g)} &\ce{-> 2CO(g)}\\ \ce{CO2(g)} &\ce{-> C(graphite) + O2(g)} \end{aligned} \]
约去一摩尔碳和一摩尔氧气后,得到
\[ \ce{C(graphite) + CO2(g) -> 2CO(g)} \]
因此,
\[ \Delta H = -221.0+393.5 = +172.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
正号是合理的,因为在碳与氧的焓变途径中,\(\ce{CO2}\) 所处的焓能级低于 CO。从 \(\ce{CO2}\) 生成 CO,代表系统的一部分回到焓较高的状态,因此整体反应必须吸收能量。
一个容易令人误信的推论是:「生成 CO 会释放能量」,所以任何生成 CO 的反应都应该是放热反应。这忽略了另一种反应物的影响。由碳和氧气生成 CO 会释放能量;但如果生成 CO 的同时消耗了非常稳定的 \(\ce{CO2}\),那就是另一个不同的反应。
题目 4
一摩尔石墨发生不完全燃烧。反应结束后,所有碳都存在于只含 CO 和 \(\ce{CO2}\) 的混合物中,没有剩余的固体碳。
测得的焓变为 \(-223.7\ \mathrm{kJ}\)。
使用以下数据:
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
以及
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
求出:
a. 生成物混合物中 CO 和 \(\ce{CO2}\) 的物质的量;
b. 消耗的氧气的物质的量;以及
c. 之后向混合物提供足够的氧气,将所有 CO 转化成 \(\ce{CO2}\) 时,额外的焓变。
假设所提供的焓变数值适用于相关的状态和条件。
解答 4
混合物含有 \(0.600\ \mathrm{mol}\) 的 CO 和 \(0.400\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\),消耗了 \(0.700\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{O2}\),而将剩余的 CO 完全氧化,会额外释放 \(169.8\ \mathrm{kJ}\) 的能量。
令 \(x\) 表示 CO 的物质的量,令 \(y\) 表示 \(\ce{CO2}\) 的物质的量。
所有 \(1.00\ \mathrm{mol}\) 的碳都已计入,因此
\[ x+y=1.00 \]
根据赫斯定律,我们可以从最终混合物的状态计算其焓变,而不必知道混合物形成时所经历的具体反应顺序:
\[ -110.5x-393.5y=-223.7 \]
代入 \(x=1-y\):
\[ -110.5(1-y)-393.5y=-223.7 \]
\[ -110.5+110.5y-393.5y=-223.7 \]
\[ -283.0y=-113.2 \]
\[ y=0.400 \]
因此,
\[ x=1.00-0.400=0.600 \]
所以
\[ n(\ce{CO})=0.600\ \mathrm{mol} \]
而
\[ n(\ce{CO2})=0.400\ \mathrm{mol} \]
现在计算消耗的氧气。生成一摩尔 CO 需要 \(0.5\) mol 的 \(\ce{O2}\),而生成一摩尔 \(\ce{CO2}\) 需要 \(1.0\) mol 的 \(\ce{O2}\):
\[ n(\ce{O2}) = (0.600)(0.5)+(0.400)(1.0) \]
\[ n(\ce{O2}) = 0.300+0.400 = 0.700\ \mathrm{mol} \]
最后,剩余的 \(0.600\ \mathrm{mol}\) CO 可以继续氧化:
\[ q = (0.600\ \mathrm{mol})(-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}) = -169.8\ \mathrm{kJ} \]
一个容易令人误入歧途的做法,是将 \(-223.7\ \mathrm{kJ}\) 解读为某种特定的反应机理。这个数值并没有告诉我们哪些分子碰撞先发生。它与碳守恒原理及允许生成的物质种类结合后,所能告诉我们的是:哪一个最终状态与测得的焓变相符。
还有一项有力的检查:
\[ -223.7-169.8=-393.5\ \mathrm{kJ} \]
当一摩尔碳全部转化成 \(\ce{CO2}\) 后,总焓变便与完全燃烧的结果一致。
题目 5
在 \(298\ \mathrm{K}\) 下,
\[ \ce{C(graphite) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
以及
\[ \ce{C(graphite) + 1/2O2(g) -> CO(g)} \qquad \Delta H=-110.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
在另一项实验中,CO 和氧气最初都处于 \(298\ \mathrm{K}\)。实验将 CO 完全燃烧,但让生成的 \(\ce{CO2(g)}\) 在 \(600\ \mathrm{K}\) 下离开。
将 \(1.00\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{CO2(g)}\) 从 \(298\ \mathrm{K}\) 加热至 \(600\ \mathrm{K}\),需要 \(12.0\ \mathrm{kJ}\) 的能量。
一名学生提出以下论点:
「赫斯定律指出,CO 的燃烧步骤必定会释放 \(283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 的能量,无论实际情况如何。如果实验得到不同的数值,就代表赫斯定律失效了。」
求以下步骤的焓变:
\[ \ce{CO(g,298 K) + 1/2O2(g,298 K) -> CO2(g,600 K)} \]
接著,求从 \(298\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{C(graphite)}\) 和 \(\ce{O2(g)}\),到达 \(600\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{CO2(g)}\) 的整个反应途径之总焓变。解释这个结果是否与赫斯定律矛盾。
解答 5
以 \(600\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{CO2}\) 作为终态时,CO 燃烧步骤的 \(\Delta H=-271.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\);从碳到高温 \(\ce{CO2}\) 的整个途径,其 \(\Delta H=-381.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。这与赫斯定律并不矛盾。
首先,找出当所有反应物和生成物都处于指定的 \(298\ \mathrm{K}\) 状态时,CO 燃烧反应的一般焓变。
根据赫斯定律,
\[ \Delta H_{\text{CO combustion}} = -393.5-(-110.5) = -283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
因此,
\[ \ce{CO(g,298 K) + 1/2O2(g,298 K) -> CO2(g,298 K)} \]
其焓变为
\[ \Delta H=-283.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
现在加上加热步骤:
\[ \ce{CO2(g,298 K) -> CO2(g,600 K)} \]
其焓变为
\[ \Delta H=+12.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
因此,
\[ \Delta H = -283.0+12.0 = -271.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
以热量形式释放的能量较少,是因为有 \(12.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 的能量仍储存在温度较高的生成物中。
现在将碳生成 CO 的步骤也计算在内:
\[ \Delta H_{\text{total}} = -110.5+(-271.0) \]
\[ \Delta H_{\text{total}} = -381.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
乍看之下,这似乎与直接途径的 \(-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 不一致。缺少的 \(12.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),正是让二氧化碳维持在 \(600\ \mathrm{K}\),而不是 \(298\ \mathrm{K}\) 时所需的能量。
如果将高温的二氧化碳冷却回 \(298\ \mathrm{K}\),
\[ \ce{CO2(g,600 K) -> CO2(g,298 K)} \]
那么
\[ \Delta H=-12.0\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
整个反应途径就会变成
\[ -381.5-12.0=-393.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}} \]
这完全符合赫斯定律的要求。
这名学生的错误相当微妙。赫斯定律并不是说,只要反应途径中出现相同的化学式,就必须具有相同的焓变。它真正的意思是:只要初始热力学状态和最终热力学状态相同,不同反应途径的焓变就必须相同。
在 \(600\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{CO2(g)}\),与在 \(298\ \mathrm{K}\) 下的 \(\ce{CO2(g)}\),并不是相同的最终状态。
碳-CO-\(\ce{CO2}\) 反应途径带来的更深层启示是:赫斯定律不只是一种将反应方程式相加的技巧,而是将能量守恒原理谨慎地应用于化学状态。一旦理解这一点,更复杂的赫斯循环就会变成一个有条理的问题:先确定完全相同的起始状态与最终状态,再让中间物种互相约去。