盖斯定律是化学热力学中的一个重要原理，它描述了在恒温恒压条件下，化学反应的焓变与反应路径无关的特性。这一原理为化学反应能量变化的研究提供了极大的便利，尤其是在无法直接测量某些反应焓变的情况下。

盖斯定律的核心概念

1. 焓变的加和性：如果一个化学反应可以分解为几个步骤进行，那么总反应的焓变等于各步反应焓变之和。

2. 路径无关性：无论反应通过何种途径发生，其焓变始终保持不变。

经典习题解析

例题 1

已知以下两个反应：

- 反应 A：\( \text{C(s) + O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g}) \)，焓变为 \( \Delta H_1 = -393.5 \, \text{kJ/mol} \)

- 反应 B：\( \text{H}_2(\text{g}) + \frac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{H}_2\text{O(l)} \)，焓变为 \( \Delta H_2 = -285.8 \, \text{kJ/mol} \)

求反应 \( \text{C(s) + 2H}_2\text{(g) + O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CH}_4(\text{g}) \) 的焓变。

解析

根据盖斯定律，我们可以将目标反应拆解为以下两步：

1. \( \text{C(s) + O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g}) \)，焓变 \( \Delta H_1 = -393.5 \, \text{kJ/mol} \)

2. \( \text{CO}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CH}_4(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \)，焓变 \( \Delta H_2 = ? \)

通过观察，我们发现第二步反应可以通过将反应 B 乘以 2 得到：

- \( 2\text{H}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(l)} \)，焓变 \( \Delta H_3 = 2 \times (-285.8) = -571.6 \, \text{kJ/mol} \)

因此，目标反应的焓变为：

\[ \Delta H_{\text{总}} = \Delta H_1 + \Delta H_3 = -393.5 - 571.6 = -965.1 \, \text{kJ/mol} \]

答案：\( \Delta H = -965.1 \, \text{kJ/mol} \)

例题 2

已知以下反应：

- \( \text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g}) \)，焓变为 \( \Delta H_1 = -92.4 \, \text{kJ/mol} \)

- \( \text{N}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NO(g)} \)，焓变为 \( \Delta H_2 = 180.5 \, \text{kJ/mol} \)

求反应 \( 2\text{NH}_3(\text{g}) + \frac{5}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2\text{O(l)} \) 的焓变。

解析

同样利用盖斯定律，我们将目标反应拆解为以下两步：

1. \( \text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g}) \)，焓变 \( \Delta H_1 = -92.4 \, \text{kJ/mol} \)

2. \( 2\text{NH}_3(\text{g}) + \frac{5}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2\text{O(l)} \)，焓变 \( \Delta H_2 = ? \)

通过观察，我们发现第二步反应可以通过将反应 B 乘以 2 并调整系数得到：

- \( 2\text{NO(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \)，焓变 \( \Delta H_3 = 2 \times (-180.5) = -361.0 \, \text{kJ/mol} \)

因此，目标反应的焓变为：

\[ \Delta H_{\text{总}} = \Delta H_1 + \Delta H_3 = -92.4 - 361.0 = -453.4 \, \text{kJ/mol} \]

答案：\( \Delta H = -453.4 \, \text{kJ/mol} \)

盖斯定律的应用不仅限于计算焓变，还广泛应用于化学反应的能量分析和设计中。通过灵活运用盖斯定律，我们可以解决许多复杂的化学问题。希望以上例题能帮助你更好地理解盖斯定律的实际应用！