Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phân loại được một phản ứng hoá học là tỏa nhiệt hay thu nhiệt dựa vào dấu của biến thiên enthalpy chuẩn $\Delta_rH^{\circ}$, và giải thích được dấu đó bằng chiều trao đổi năng lượng giữa hệ phản ứng và môi trường xung quanh.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Course 4 (Liên kết hoá học), em đã biết một phản ứng hoá học luôn gồm hai việc: phá vỡ liên kết cũ trong chất đầu — việc này CẦN năng lượng — và hình thành liên kết mới trong sản phẩm — việc này GIẢI PHÓNG năng lượng. Mỗi chất mang một đại lượng gọi là enthalpy H; ta không đo được H tuyệt đối của một chất, chỉ đo được phần thay đổi của nó khi phản ứng xảy ra, kí hiệu $\Delta_rH^{\circ}$ (đọc là "delta r H chuẩn", chữ r nhắc phản ứng — reaction). Bài này dùng chính đại lượng đó để phân loại phản ứng.
Khởi động
Khi giáo viên nhỏ nước vào một ít vôi sống CaO trong cốc, cốc nóng lên rất nhanh, có khi bốc hơi nước. Nhưng khi hoà tan viên thuốc sủi bọt (chứa muối ammonium) vào nước, thành cốc lại lạnh đi, đọng sương bên ngoài. Cả hai đều là phản ứng hoá học thật sự — vậy vì sao một cái làm ấm tay, một cái lại làm lạnh tay?
Kiến thức trọng tâm
**Phản ứng tỏa nhiệt** là phản ứng giải phóng năng lượng (dưới dạng nhiệt) ra môi trường xung quanh trong quá trình phản ứng xảy ra — nhiệt độ môi trường xung quanh hệ phản ứng tăng lên. Vì hệ đã mất bớt năng lượng, enthalpy của hệ SAU phản ứng thấp hơn enthalpy TRƯỚC phản ứng, nên $\Delta_rH^{\circ} = H_{sản phẩm} - H_{chất đầu} < 0$. Đốt cháy nhiên liệu, vôi sống tác dụng nước, và chính quá trình hô hấp tế bào diễn ra liên tục trong cơ thể em đều là phản ứng tỏa nhiệt.
**Phản ứng thu nhiệt** là phản ứng lấy năng lượng TỪ môi trường xung quanh để phản ứng xảy ra được — nhiệt độ môi trường xung quanh giảm xuống nếu không có nguồn nhiệt bù vào. Hệ đã nhận thêm năng lượng nên enthalpy sau phản ứng cao hơn trước phản ứng: $\Delta_rH^{\circ} > 0$. Nung đá vôi CaCO3 thành vôi sống CaO ở lò nung công nghiệp, quá trình quang hợp ở cây xanh, và việc hoà tan một số muối ammonium vào nước đều là ví dụ thu nhiệt quen thuộc.
Kí hiệu $^{\circ}$ (đọc là "chuẩn") nhắc rằng giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ được đo ở **điều kiện chuẩn**: 25 °C (298 K) và áp suất 1 bar — trừ khi đề bài nói khác. Cần phân biệt rõ hai điều: bản thân phản ứng có xảy ra hay không (do nhiều yếu tố khác quyết định, sẽ học ở chương tốc độ phản ứng) và phản ứng đó tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng khi nó xảy ra — hai câu hỏi độc lập với nhau. Rất nhiều phản ứng thu nhiệt vẫn xảy ra hoàn toàn, miễn là được cấp đủ năng lượng, như lò nung vôi vẫn hoạt động liên tục ngày đêm dù bản chất là thu nhiệt.
Có thể hình dung mỗi phản ứng như một bậc thang năng lượng, với trục thẳng đứng biểu diễn enthalpy. Ở phản ứng tỏa nhiệt, bậc sản phẩm nằm THẤP hơn bậc chất đầu — phần chênh lệch được giải phóng ra ngoài dưới dạng nhiệt, đôi khi kèm cả ánh sáng như ngọn lửa. Ở phản ứng thu nhiệt, bậc sản phẩm nằm CAO hơn bậc chất đầu — phần chênh lệch đó phải lấy từ môi trường xung quanh mới đủ. Cách hình dung này còn hữu ích khi em học đồ thị năng lượng hoạt hoá ở chương tốc độ phản ứng sắp tới.
Phân biệt đúng dấu $\Delta_rH^{\circ}$ không chỉ là lý thuyết trong sách — nó quyết định cách vận hành cả một quy trình công nghiệp. Lò nung vôi, lò nung xi măng phải tính đủ lượng nhiên liệu để bù năng lượng thu nhiệt của phản ứng phân huỷ đá vôi; ngược lại, nhà máy nhiệt điện đốt than lại khai thác đúng năng lượng tỏa ra từ phản ứng cháy để quay tuabin phát điện. Cùng một khái niệm, nhưng ứng dụng theo hai chiều hoàn toàn trái ngược.
Ví dụ
Phân loại phản ứng vôi sống tác dụng nước
1
Khi cho một mẩu vôi sống CaO vào cốc nước, nhiệt độ cốc nước tăng nhanh, có thể sôi nhẹ. Phản ứng $CaO(s) + H_2O(l) \rightarrow Ca(OH)_2(s)$ là tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu của $\Delta_rH^{\circ}$.
2
Ta có: nhiệt độ cốc nước (môi trường xung quanh hệ phản ứng) tăng lên rõ rệt. Điều này chỉ xảy ra khi hệ phản ứng đã giải phóng năng lượng ra bên ngoài.
3
Hệ mất bớt năng lượng nên enthalpy của hệ giảm sau phản ứng: $\Delta_rH^{\circ} = H_{sản phẩm} - H_{chất đầu} < 0$. Do đó đây là phản ứng tỏa nhiệt.
4
Vậy dấu hiệu nhận biết: môi trường xung quanh NÓNG lên ứng với $\Delta_rH^{\circ} < 0$ (tỏa nhiệt); môi trường xung quanh LẠNH đi ứng với $\Delta_rH^{\circ} > 0$ (thu nhiệt).
Ví dụ
So sánh hai thí nghiệm và liên hệ với hô hấp tế bào
1
Học sinh thực hiện hai thí nghiệm: (1) đốt cháy hoàn toàn một mẩu cồn (ethanol) trong không khí, ngọn lửa toả nhiệt mạnh; (2) hoà tan một viên thuốc sủi bọt vào cốc nước, thành cốc bên ngoài đọng sương lạnh. Xác định loại phản ứng và dấu $\Delta_rH^{\circ}$ của mỗi thí nghiệm. Quá trình hô hấp tế bào — một chuỗi phản ứng oxi hoá chất hữu cơ diễn ra liên tục trong cơ thể sinh vật — cùng loại với thí nghiệm nào?
2
Đốt cháy cồn giải phóng năng lượng ra không khí xung quanh dưới dạng nhiệt và ánh sáng ngọn lửa. Suy ra thí nghiệm (1) là phản ứng tỏa nhiệt, $\Delta_rH^{\circ} < 0$.
3
Cốc nước lạnh đi nghĩa là hệ phản ứng đã lấy năng lượng từ nước xung quanh để hoà tan và phản ứng. Suy ra thí nghiệm (2) là phản ứng thu nhiệt, $\Delta_rH^{\circ} > 0$.
4
Hô hấp tế bào oxi hoá chất hữu cơ (đường, chất béo) thành CO2 và H2O, giải phóng năng lượng để cơ thể duy trì thân nhiệt và hoạt động — về bản chất năng lượng, đây chính là một dạng "đốt cháy chậm" giống thí nghiệm (1).
5
Vậy thí nghiệm (1) và hô hấp tế bào đều là phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta_rH^{\circ} < 0$); thí nghiệm (2) là phản ứng thu nhiệt ($\Delta_rH^{\circ} > 0$).
Sai lầm thường gặp
Nhiều học sinh nghĩ "thu nhiệt" nghĩa là phản ứng khó xảy ra hoặc yếu hơn tỏa nhiệt. Thu nhiệt chỉ có nghĩa là phản ứng CẦN năng lượng để xảy ra — nhiều phản ứng thu nhiệt vẫn diễn ra hoàn toàn nếu được cấp đủ nhiệt, như lò nung vôi công nghiệp hoạt động liên tục. Một lỗi khác là nhầm chiều so sánh: $\Delta_rH^{\circ}$ luôn là (enthalpy sản phẩm) trừ (enthalpy chất đầu), không phải ngược lại.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
$\Delta_rH^{\circ} = H_{sản phẩm} - H_{chất đầu}$, đo ở 25 °C và 1 bar. Tỏa nhiệt: hệ mất năng lượng, môi trường nóng lên, $\Delta_rH^{\circ} < 0$. Thu nhiệt: hệ nhận năng lượng, môi trường lạnh đi, $\Delta_rH^{\circ} > 0$. Thu nhiệt không đồng nghĩa với "khó xảy ra".
Bài tiếp theo dạy em cách VIẾT một phản ứng kèm giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ chuẩn thành một phương trình nhiệt hoá học đúng quy cách — công cụ trình bày và tính toán xuyên suốt các bài sau.
Sau bài này, em phân loại được một phản ứng hoá học là tỏa nhiệt hay thu nhiệt dựa vào dấu của biến thiên enthalpy chuẩn ΔrH∘, và giải thích được dấu đó bằng chiều trao đổi năng lượng giữa hệ phản ứng và môi trường xung quanh.
Ở Course 4 (Liên kết hoá học), em đã biết một phản ứng hoá học luôn gồm hai việc: phá vỡ liên kết cũ trong chất đầu — việc này CẦN năng lượng — và hình thành liên kết mới trong sản phẩm — việc này GIẢI PHÓNG năng lượng. Mỗi chất mang một đại lượng gọi là enthalpy H; ta không đo được H tuyệt đối của một chất, chỉ đo được phần thay đổi của nó khi phản ứng xảy ra, kí hiệu ΔrH∘ (đọc là "delta r H chuẩn", chữ r nhắc phản ứng — reaction). Bài này dùng chính đại lượng đó để phân loại phản ứng.
Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng giải phóng năng lượng (dưới dạng nhiệt) ra môi trường xung quanh trong quá trình phản ứng xảy ra — nhiệt độ môi trường xung quanh hệ phản ứng tăng lên. Vì hệ đã mất bớt năng lượng, enthalpy của hệ SAU phản ứng thấp hơn enthalpy TRƯỚC phản ứng, nên ΔrH∘=Hsảnphẩm−Hcha^ˊtđa^ˋu<0. Đốt cháy nhiên liệu, vôi sống tác dụng nước, và chính quá trình hô hấp tế bào diễn ra liên tục trong cơ thể em đều là phản ứng tỏa nhiệt.
Phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy năng lượng TỪ môi trường xung quanh để phản ứng xảy ra được — nhiệt độ môi trường xung quanh giảm xuống nếu không có nguồn nhiệt bù vào. Hệ đã nhận thêm năng lượng nên enthalpy sau phản ứng cao hơn trước phản ứng: ΔrH∘>0. Nung đá vôi CaCO3 thành vôi sống CaO ở lò nung công nghiệp, quá trình quang hợp ở cây xanh, và việc hoà tan một số muối ammonium vào nước đều là ví dụ thu nhiệt quen thuộc.
Kí hiệu ∘ (đọc là "chuẩn") nhắc rằng giá trị ΔrH∘ được đo ở điều kiện chuẩn: 25 °C (298 K) và áp suất 1 bar — trừ khi đề bài nói khác. Cần phân biệt rõ hai điều: bản thân phản ứng có xảy ra hay không (do nhiều yếu tố khác quyết định, sẽ học ở chương tốc độ phản ứng) và phản ứng đó tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng khi nó xảy ra — hai câu hỏi độc lập với nhau. Rất nhiều phản ứng thu nhiệt vẫn xảy ra hoàn toàn, miễn là được cấp đủ năng lượng, như lò nung vôi vẫn hoạt động liên tục ngày đêm dù bản chất là thu nhiệt.
Có thể hình dung mỗi phản ứng như một bậc thang năng lượng, với trục thẳng đứng biểu diễn enthalpy. Ở phản ứng tỏa nhiệt, bậc sản phẩm nằm THẤP hơn bậc chất đầu — phần chênh lệch được giải phóng ra ngoài dưới dạng nhiệt, đôi khi kèm cả ánh sáng như ngọn lửa. Ở phản ứng thu nhiệt, bậc sản phẩm nằm CAO hơn bậc chất đầu — phần chênh lệch đó phải lấy từ môi trường xung quanh mới đủ. Cách hình dung này còn hữu ích khi em học đồ thị năng lượng hoạt hoá ở chương tốc độ phản ứng sắp tới.
Phân biệt đúng dấu ΔrH∘ không chỉ là lý thuyết trong sách — nó quyết định cách vận hành cả một quy trình công nghiệp. Lò nung vôi, lò nung xi măng phải tính đủ lượng nhiên liệu để bù năng lượng thu nhiệt của phản ứng phân huỷ đá vôi; ngược lại, nhà máy nhiệt điện đốt than lại khai thác đúng năng lượng tỏa ra từ phản ứng cháy để quay tuabin phát điện. Cùng một khái niệm, nhưng ứng dụng theo hai chiều hoàn toàn trái ngược.
Khi cho một mẩu vôi sống CaO vào cốc nước, nhiệt độ cốc nước tăng nhanh, có thể sôi nhẹ. Phản ứng CaO(s)+H2O(l)→Ca(OH)2(s) là tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu của ΔrH∘.
Hệ mất bớt năng lượng nên enthalpy của hệ giảm sau phản ứng: ΔrH∘=Hsảnphẩm−Hcha^ˊtđa^ˋu<0. Do đó đây là phản ứng tỏa nhiệt.
Vậy dấu hiệu nhận biết: môi trường xung quanh NÓNG lên ứng với ΔrH∘<0 (tỏa nhiệt); môi trường xung quanh LẠNH đi ứng với ΔrH∘>0 (thu nhiệt).
Học sinh thực hiện hai thí nghiệm: (1) đốt cháy hoàn toàn một mẩu cồn (ethanol) trong không khí, ngọn lửa toả nhiệt mạnh; (2) hoà tan một viên thuốc sủi bọt vào cốc nước, thành cốc bên ngoài đọng sương lạnh. Xác định loại phản ứng và dấu ΔrH∘ của mỗi thí nghiệm. Quá trình hô hấp tế bào — một chuỗi phản ứng oxi hoá chất hữu cơ diễn ra liên tục trong cơ thể sinh vật — cùng loại với thí nghiệm nào?
Đốt cháy cồn giải phóng năng lượng ra không khí xung quanh dưới dạng nhiệt và ánh sáng ngọn lửa. Suy ra thí nghiệm (1) là phản ứng tỏa nhiệt, ΔrH∘<0.
Cốc nước lạnh đi nghĩa là hệ phản ứng đã lấy năng lượng từ nước xung quanh để hoà tan và phản ứng. Suy ra thí nghiệm (2) là phản ứng thu nhiệt, ΔrH∘>0.
Vậy thí nghiệm (1) và hô hấp tế bào đều là phản ứng tỏa nhiệt (ΔrH∘<0); thí nghiệm (2) là phản ứng thu nhiệt (ΔrH∘>0).
Nhiều học sinh nghĩ "thu nhiệt" nghĩa là phản ứng khó xảy ra hoặc yếu hơn tỏa nhiệt. Thu nhiệt chỉ có nghĩa là phản ứng CẦN năng lượng để xảy ra — nhiều phản ứng thu nhiệt vẫn diễn ra hoàn toàn nếu được cấp đủ nhiệt, như lò nung vôi công nghiệp hoạt động liên tục. Một lỗi khác là nhầm chiều so sánh: ΔrH∘ luôn là (enthalpy sản phẩm) trừ (enthalpy chất đầu), không phải ngược lại.
ΔrH∘=Hsảnphẩm−Hcha^ˊtđa^ˋu, đo ở 25 °C và 1 bar. Tỏa nhiệt: hệ mất năng lượng, môi trường nóng lên, ΔrH∘<0. Thu nhiệt: hệ nhận năng lượng, môi trường lạnh đi, ΔrH∘>0. Thu nhiệt không đồng nghĩa với "khó xảy ra".
Bài tiếp theo dạy em cách VIẾT một phản ứng kèm giá trị ΔrH∘ chuẩn thành một phương trình nhiệt hoá học đúng quy cách — công cụ trình bày và tính toán xuyên suốt các bài sau.