Bài học

Ôn tập biến thiên enthalpy phản ứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân loại được một phản ứng là toả nhiệt hay thu nhiệt dựa vào dấu của biến thiên enthalpy chuẩn $\Delta_rH^\circ$ , và tính được $\Delta_rH^\circ$ của một phản ứng theo hai cách: dùng enthalpy tạo thành và dùng năng lượng liên kết.

Sau bài này, em phân loại được một phản ứng là toả nhiệt hay thu nhiệt dựa vào dấu của biến thiên enthalpy chuẩn $\Delta_rH^\circ$, và tính được $\Delta_rH^\circ$ của một phản ứng theo hai cách: dùng enthalpy tạo thành và dùng năng lượng liên kết.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai chương trước đã cho em thấy phản ứng hoá học là quá trình liên kết cũ bị phá vỡ và liên kết mới hình thành (chương liên kết), kèm theo electron di chuyển giữa các nguyên tử (chương oxi hoá – khử). Phá vỡ và hình thành liên kết đều tiêu tốn hoặc giải phóng năng lượng — đó chính là chủ đề của chương này.

Khởi động

Túi giữ lạnh y tế, khi bóp vỡ lớp màng ngăn bên trong, lại khiến túi lạnh đi rõ rệt chỉ sau vài giây — trong khi phần lớn phản ứng em từng biết (đốt cháy, trung hoà acid–base) đều toả nhiệt làm nóng lên. Phản ứng bên trong túi giữ lạnh đã hấp thu hay giải phóng nhiệt?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng toả nhiệt và thu nhiệt. Phản ứng toả nhiệt giải phóng năng lượng ra môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt, có biến thiên enthalpy chuẩn $\Delta_rH^\circ < 0$ — ví dụ đốt cháy nhiên liệu, phản ứng trung hoà acid–base. Phản ứng thu nhiệt hấp thu năng lượng từ môi trường, có $\Delta_rH^\circ > 0$ — ví dụ nung $CaCO_3$ để sản xuất vôi sống, hoặc hoà tan muối $NH_4NO_3$ vào nước (đúng cơ chế của túi giữ lạnh ở phần khởi động).

Enthalpy tạo thành chuẩn $\Delta_fH^\circ$ . Là lượng nhiệt toả ra hoặc thu vào khi tạo thành 1 mol một chất từ các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn. Theo quy ước, $\Delta_fH^\circ$ của một đơn chất bền (như $O_2(g)$ , $H_2(g)$ , kim loại ở thể rắn) luôn bằng 0.

Cách 1 — tính theo enthalpy tạo thành. $\Delta_rH^\circ = \sum \Delta_fH^\circ(\text{sản phẩm}) - \sum \Delta_fH^\circ(\text{chất đầu})$ , mỗi số hạng nhân với hệ số cân bằng tương ứng của chất đó trong phương trình.

Cách 2 — tính theo năng lượng liên kết (chỉ áp dụng cho phản ứng giữa các chất khí). $\Delta_rH^\circ = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ ở chất đầu}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành ở sản phẩm})$ . Hai công thức thực chất mô tả cùng một quá trình từ hai góc nhìn dữ liệu khác nhau: phá liên kết luôn cần năng lượng (thu), hình thành liên kết luôn giải phóng năng lượng (toả) — công thức 2 chỉ là hệ quả trực tiếp của bản chất đó.

Vì sao cần biết cả hai cách tính. Không phải lúc nào đề bài cũng cho sẵn đầy đủ giá trị $\Delta_fH^\circ$ của mọi chất; có phản ứng chỉ công bố sẵn dữ liệu năng lượng liên kết, và ngược lại. Nắm cả hai công thức giúp em linh hoạt chọn đúng công cụ theo đúng dữ kiện đề cho, thay vì học thuộc máy móc một công thức duy nhất. So sánh độ lớn $|\Delta_rH^\circ|$ giữa các phản ứng đốt cháy khác nhau còn cho biết loại nhiên liệu nào giải phóng nhiều năng lượng hơn trên cùng một lượng chất — thông tin liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn nhiên liệu trong đời sống và công nghiệp.

**Phản ứng toả nhiệt và thu nhiệt.** Phản ứng toả nhiệt giải phóng năng lượng ra môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt, có biến thiên enthalpy chuẩn $\Delta_rH^\circ < 0$ — ví dụ đốt cháy nhiên liệu, phản ứng trung hoà acid–base. Phản ứng thu nhiệt hấp thu năng lượng từ môi trường, có $\Delta_rH^\circ > 0$ — ví dụ nung $CaCO_3$ để sản xuất vôi sống, hoặc hoà tan muối $NH_4NO_3$ vào nước (đúng cơ chế của túi giữ lạnh ở phần khởi động). **Enthalpy tạo thành chuẩn $\Delta_fH^\circ$.** Là lượng nhiệt toả ra hoặc thu vào khi tạo thành 1 mol một chất từ các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn. Theo quy ước, $\Delta_fH^\circ$ của một đơn chất bền (như $O_2(g)$, $H_2(g)$, kim loại ở thể rắn) luôn bằng 0. **Cách 1 — tính theo enthalpy tạo thành.** $\Delta_rH^\circ = \sum \Delta_fH^\circ(\text{sản phẩm}) - \sum \Delta_fH^\circ(\text{chất đầu})$, mỗi số hạng nhân với hệ số cân bằng tương ứng của chất đó trong phương trình. **Cách 2 — tính theo năng lượng liên kết (chỉ áp dụng cho phản ứng giữa các chất khí).** $\Delta_rH^\circ = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ ở chất đầu}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành ở sản phẩm})$. Hai công thức thực chất mô tả cùng một quá trình từ hai góc nhìn dữ liệu khác nhau: phá liên kết luôn cần năng lượng (thu), hình thành liên kết luôn giải phóng năng lượng (toả) — công thức 2 chỉ là hệ quả trực tiếp của bản chất đó. **Vì sao cần biết cả hai cách tính.** Không phải lúc nào đề bài cũng cho sẵn đầy đủ giá trị $\Delta_fH^\circ$ của mọi chất; có phản ứng chỉ công bố sẵn dữ liệu năng lượng liên kết, và ngược lại. Nắm cả hai công thức giúp em linh hoạt chọn đúng công cụ theo đúng dữ kiện đề cho, thay vì học thuộc máy móc một công thức duy nhất. So sánh độ lớn $|\Delta_rH^\circ|$ giữa các phản ứng đốt cháy khác nhau còn cho biết loại nhiên liệu nào giải phóng nhiều năng lượng hơn trên cùng một lượng chất — thông tin liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn nhiên liệu trong đời sống và công nghiệp.

Cả ba phản ứng đều toả nhiệt mạnh (

\Delta_rH^\circ

âm); giá trị trên biểu đồ là trị tuyệt đối để dễ so sánh độ lớn.Cả ba phản ứng đều toả nhiệt mạnh ($\Delta_rH^\circ$ âm); giá trị trên biểu đồ là trị tuyệt đối để dễ so sánh độ lớn.

Ví dụ

Tính ΔrH° theo enthalpy tạo thành

1
Cho $\Delta_fH^\circ(CO_2, g) = -393{,}5$ ; $\Delta_fH^\circ(H_2O, l) = -285{,}8$ ; $\Delta_fH^\circ(CH_4, g) = -74{,}8$ kJ/mol. Tính $\Delta_rH^\circ$ của phản ứng $CH_4(g) + 2O_2(g) \to CO_2(g) + 2H_2O(l)$ , cho biết phản ứng toả hay thu nhiệt.
Cho $\Delta_fH^\circ(CO_2, g) = -393{,}5$; $\Delta_fH^\circ(H_2O, l) = -285{,}8$; $\Delta_fH^\circ(CH_4, g) = -74{,}8$ kJ/mol. Tính $\Delta_rH^\circ$ của phản ứng $CH_4(g) + 2O_2(g) \to CO_2(g) + 2H_2O(l)$, cho biết phản ứng toả hay thu nhiệt.
2
$\Delta_fH^\circ(O_2, g) = 0$ (đơn chất bền). Áp dụng công thức: $\Delta_rH^\circ = [\Delta_fH^\circ(CO_2) + 2\Delta_fH^\circ(H_2O)] - [\Delta_fH^\circ(CH_4) + 2\Delta_fH^\circ(O_2)]$ .
$\Delta_fH^\circ(O_2, g) = 0$ (đơn chất bền). Áp dụng công thức: $\Delta_rH^\circ = [\Delta_fH^\circ(CO_2) + 2\Delta_fH^\circ(H_2O)] - [\Delta_fH^\circ(CH_4) + 2\Delta_fH^\circ(O_2)]$.
3
$\Delta_rH^\circ = [(-393{,}5) + 2(-285{,}8)] - [(-74{,}8) + 0] = (-393{,}5 - 571{,}6) - (-74{,}8) = -965{,}1 + 74{,}8$ .
$\Delta_rH^\circ = [(-393{,}5) + 2(-285{,}8)] - [(-74{,}8) + 0] = (-393{,}5 - 571{,}6) - (-74{,}8) = -965{,}1 + 74{,}8$.
4
$\Delta_rH^\circ \approx -890{,}3$ kJ/mol. Giá trị âm nên phản ứng toả nhiệt rất mạnh — đúng với đặc trưng của phản ứng đốt cháy nhiên liệu.
$\Delta_rH^\circ \approx -890{,}3$ kJ/mol. Giá trị âm nên phản ứng toả nhiệt rất mạnh — đúng với đặc trưng của phản ứng đốt cháy nhiên liệu.

Ví dụ

Tính ΔrH° theo năng lượng liên kết

1
Cho năng lượng liên kết: $E_b(H-H) = 436$ ; $E_b(Cl-Cl) = 243$ ; $E_b(H-Cl) = 432$ kJ/mol. Tính $\Delta_rH^\circ$ của phản ứng $H_2(g) + Cl_2(g) \to 2HCl(g)$ .
Cho năng lượng liên kết: $E_b(H-H) = 436$; $E_b(Cl-Cl) = 243$; $E_b(H-Cl) = 432$ kJ/mol. Tính $\Delta_rH^\circ$ của phản ứng $H_2(g) + Cl_2(g) \to 2HCl(g)$.
2
Liên kết bị phá vỡ (ở chất đầu): 1 liên kết $H-H$ và 1 liên kết $Cl-Cl$ . Liên kết hình thành (ở sản phẩm): 2 liên kết $H-Cl$ (vì tạo ra 2 phân tử HCl).
Liên kết bị phá vỡ (ở chất đầu): 1 liên kết $H-H$ và 1 liên kết $Cl-Cl$. Liên kết hình thành (ở sản phẩm): 2 liên kết $H-Cl$ (vì tạo ra 2 phân tử HCl).
3
$\Delta_rH^\circ = [E_b(H-H) + E_b(Cl-Cl)] - 2 \times E_b(H-Cl) = (436+243) - 2 \times 432 = 679 - 864$ .
$\Delta_rH^\circ = [E_b(H-H) + E_b(Cl-Cl)] - 2 \times E_b(H-Cl) = (436+243) - 2 \times 432 = 679 - 864$.
4
$\Delta_rH^\circ = -185$ kJ/mol. Giá trị âm nên phản ứng toả nhiệt.
$\Delta_rH^\circ = -185$ kJ/mol. Giá trị âm nên phản ứng toả nhiệt.

Ví dụ

Vận dụng dấu ΔrH° để giải thích một quy trình sản xuất

1
Phản ứng nung vôi $CaCO_3(s) \to CaO(s) + CO_2(g)$ có $\Delta_rH^\circ = +178$ kJ/mol. Phản ứng này toả hay thu nhiệt? Giải thích vì sao lò nung vôi phải đốt nhiên liệu liên tục để duy trì phản ứng.
Phản ứng nung vôi $CaCO_3(s) \to CaO(s) + CO_2(g)$ có $\Delta_rH^\circ = +178$ kJ/mol. Phản ứng này toả hay thu nhiệt? Giải thích vì sao lò nung vôi phải đốt nhiên liệu liên tục để duy trì phản ứng.
2
$\Delta_rH^\circ = +178 > 0$ nên đây là phản ứng THU NHIỆT — cần cung cấp năng lượng liên tục từ bên ngoài để phản ứng tiếp diễn.
$\Delta_rH^\circ = +178 > 0$ nên đây là phản ứng THU NHIỆT — cần cung cấp năng lượng liên tục từ bên ngoài để phản ứng tiếp diễn.
3
Nếu ngừng cấp nhiệt, hệ phản ứng không còn đủ năng lượng để duy trì tốc độ phân huỷ $CaCO_3$ , phản ứng sẽ chậm lại rồi gần như dừng hẳn. Vì vậy lò nung vôi phải đốt than hoặc nhiên liệu khác liên tục suốt quá trình nung để giữ nhiệt độ đủ cao.
Nếu ngừng cấp nhiệt, hệ phản ứng không còn đủ năng lượng để duy trì tốc độ phân huỷ $CaCO_3$, phản ứng sẽ chậm lại rồi gần như dừng hẳn. Vì vậy lò nung vôi phải đốt than hoặc nhiên liệu khác liên tục suốt quá trình nung để giữ nhiệt độ đủ cao.

Enthalpy trong lựa chọn nhiên liệu. Khi so sánh các loại nhiên liệu, người ta thường quan tâm tới nhiệt lượng toả ra trên một đơn vị khối lượng hoặc một mol chất đốt — chính là giá trị tuyệt đối của $\Delta_rH^\circ$ vừa tính ở trên. Nhiên liệu toả càng nhiều nhiệt trên cùng khối lượng thì càng "hiệu quả" về mặt năng lượng, nhưng lựa chọn thực tế còn phải cân nhắc thêm giá thành, mức độ gây ô nhiễm khi đốt cháy, và khả năng vận chuyển, bảo quản — enthalpy chỉ là một trong nhiều tiêu chí, không phải tiêu chí duy nhất.

**Enthalpy trong lựa chọn nhiên liệu.** Khi so sánh các loại nhiên liệu, người ta thường quan tâm tới nhiệt lượng toả ra trên một đơn vị khối lượng hoặc một mol chất đốt — chính là giá trị tuyệt đối của $\Delta_rH^\circ$ vừa tính ở trên. Nhiên liệu toả càng nhiều nhiệt trên cùng khối lượng thì càng "hiệu quả" về mặt năng lượng, nhưng lựa chọn thực tế còn phải cân nhắc thêm giá thành, mức độ gây ô nhiễm khi đốt cháy, và khả năng vận chuyển, bảo quản — enthalpy chỉ là một trong nhiều tiêu chí, không phải tiêu chí duy nhất.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất: nghĩ rằng "toả nhiệt" nghĩa là $\Delta_rH^\circ$ mang dấu DƯƠNG (vì "sinh ra nhiệt nên phải dương"). Theo đúng quy ước, toả nhiệt là $\Delta_rH^\circ < 0$ (hệ phản ứng MẤT năng lượng ra ngoài), còn thu nhiệt là $\Delta_rH^\circ > 0$ . Một lỗi khác là quên nhân hệ số cân bằng khi tính theo enthalpy tạo thành.

Sai lầm phổ biến nhất: nghĩ rằng "toả nhiệt" nghĩa là $\Delta_rH^\circ$ mang dấu DƯƠNG (vì "sinh ra nhiệt nên phải dương"). Theo đúng quy ước, toả nhiệt là $\Delta_rH^\circ < 0$ (hệ phản ứng MẤT năng lượng ra ngoài), còn thu nhiệt là $\Delta_rH^\circ > 0$. Một lỗi khác là quên nhân hệ số cân bằng khi tính theo enthalpy tạo thành.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Toả nhiệt: $\Delta_rH^\circ < 0$ . Thu nhiệt: $\Delta_rH^\circ > 0$ . Hai công thức tính: theo $\Delta_fH^\circ$ (sản phẩm trừ chất đầu, có hệ số) hoặc theo $E_b$ (liên kết phá vỡ trừ liên kết hình thành, chỉ cho phản ứng khí).

Toả nhiệt: $\Delta_rH^\circ < 0$. Thu nhiệt: $\Delta_rH^\circ > 0$. Hai công thức tính: theo $\Delta_fH^\circ$ (sản phẩm trừ chất đầu, có hệ số) hoặc theo $E_b$ (liên kết phá vỡ trừ liên kết hình thành, chỉ cho phản ứng khí).

Biết được phản ứng toả bao nhiêu năng lượng mới trả lời được một nửa câu hỏi — nửa còn lại là phản ứng đó diễn ra NHANH hay CHẬM, chủ đề của bài tiếp theo.