Lý thuyết Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Những kiến thức về Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học không chỉ giúp bạn hiểu sâu hơn về các phản ứng này mà còn giúp bạn áp dụng chúng vào cuộc sống hàng ngày. Bài viết này sẽ giải thích ngắn gọn về lý thuyết này và cung cấp ví dụ cụ thể để bạn dễ hiểu hơn.

Có thể bạn quan tâm

Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt

Phản ứng tỏa nhiệt là khi phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, trong khi phản ứng thu nhiệt là khi phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Để hiểu rõ hơn, hãy xem các ví dụ sau:

Bạn đang xem: Lý thuyết Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học – Kết nối tri thức

Khi than, củi cháy, không khí xung quanh ấm hơn do phản ứng tỏa nhiệt.
Khi pha viên sủi vitamin C vào nước, khi viên sủi tan, nước trong cốc có cảm giác mát hơn, đó là do xảy ra phản ứng thu nhiệt.
Khi nung vôi, người ta sử dụng phản ứng đốt than để cung cấp nhiệt cho phản ứng phân hủy đá vôi. Phản ứng đốt than là phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.

Biến thiên enthalpy của phản ứng

Biến thiên enthalpy (DrH) của phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong phản ứng, ở điều kiện áp suất không đổi. Đây cũng được gọi là nhiệt phản ứng. Phương trình hóa học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị DrH gọi là phương trình nhiệt hóa học.

Ví dụ 1: Phản ứng đốt cháy 2 mol khí hydrogen bằng 1 mol khí oxygen, tạo thành 2 mol nước ở trạng thái lỏng, tỏa ra nhiệt lượng 571,6 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy ΔrH2980 = -571,6 kJ, biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔrH2980 = -571,6 kJ

Ví dụ 2: Phản ứng nhiệt phân hoàn toàn 1 mol Cu(OH)2, tạo thành 1 mol CuO và 1 mol H2O, thu vào nhiệt lượng 9,0 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy ΔrH2980 = +9,0 kJ và biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

Cu(OH)2(s) → CuO(s) + H2O(l) ΔrH2980 = +9,0 kJ

Biến thiên enthalpy chuẩn

Biến thiên enthalpy chuẩn (ΔrH298o) là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào của phản ứng được xác định ở điều kiện chuẩn: áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/l (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 25oC (298K).

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol carbon graphite trong khí oxygen dư (ở điều kiện chuẩn) tạo ra 1 mol CO2, nhiệt lượng tỏa ra là 393,5 kJ. Phương trình nhiệt hóa học của phản ứng được viết như sau:

C(graphite) + O2(g) → CO2(g) ΔrH298o = -393,5 kJ

Ý nghĩa của biến thiên enthalpy

Dấu của biến thiên enthalpy cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt:

ΔrH298o > 0: phản ứng thu nhiệt.
ΔrH298o < 0: phản ứng tỏa nhiệt.

Chú ý: Giá trị tuyệt đối của biến thiên enthalpy càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng càng nhiều.

Ví dụ: Xét 2 phản ứng

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔrH298o = -890 kJ
CH3OH(l) + O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔrH298o = -726 kJ

Vậy, khi đốt 1 mol methane (16 g) tỏa ra nhiệt lượng nhiều hơn đốt 1 mol methanol (32 g).

Chú ý: Các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng thường là phản ứng tỏa nhiệt, các phản ứng thu nhiệt thường xảy ra khi đun nóng.

Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

Khái niệm nhiệt tạo thành: Nhiệt tạo thành (ΔfH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững nhất, ở một điều kiện xác định. Nhiệt tạo thành chuẩn (ΔfH298o) là nhiệt tạo thành ở điều kiện chuẩn. Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng 0.

Ví dụ 1: Nước lỏng được tạo thành từ khí hydrogen và khí oxygen theo phản ứng:

H2(g) + 12O2(g) → H2O(l)

Ở điều kiện chuẩn, cứ 1 mol H2O(l) tạo thành từ 1 mol H2(g) và 12 mol O2(g) giải phóng nhiệt lượng là 285,8 kJ. Như vậy, nhiệt tạo thành của nước lỏng: ΔfH298o(H2O(l))=−285,8 kJ/mol.

Ví dụ 2: Phản ứng 12N2(g) + 12O2(g) → NO(g) có biến thiên enthalpy: ΔfH298o(H2O(l))=+90,3kJ/mol. Giá trị > 0, tức phản ứng này là phản ứng thu nhiệt.

Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành: Biến thiên enthalpy của phản ứng được xác định bằng hiệu số giữa tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm (sp) và tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu (cđ).Ở điều kiện chuẩn: ΔfH298o=∑ΔfH298o(sp)−∑ΔfH298o(cđ). Trong tính toán cần lưu ý đến hệ số của các chất trong phương trình hóa học.

Ví dụ 1: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn

SO2(g) + 12O2(g) → SO3(l)

Biết nhiệt tạo tạo thành ΔfH298o của SO2(g) là -296,8 kJ/mol, của SO3(l) là -441,0 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

ΔrH298o=ΔfH298o(SO3(l))−[ΔfH298o(SO2)(g))+12ΔfH298o(O2(g))
= -441,0 - (-296,8 + 0×12) = -144,2 (kJ).

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn

4FeS2(s) + 11O2(g) → 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)

Biết nhiệt tạo thành ΔfH298o của các chất FeS2(s), Fe2O3(s) và SO2(g) lần lượt là -177,9 kJ/mol, -825,5 kJ/mol và -296,8 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

Tổng nhiệt tạo thành các chất ban đầu là:

ΔfH298o(cđ) = ΔfH298o(FeS2(s))×4+ΔfH298o(O2(g))×11 = (-177,9)×4 + 0×11 = -711,6 (kJ).

Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là:

ΔrH298o(sp)=ΔfH298o(Fe2O3(s))×2+ΔfH298o(SO2(g))×8
= (-825,5)×2 + (-296,8)×8 = -4025,4 (kJ).

Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng:

ΔrH298o=∑ΔfH298o(sp)−∑ΔfH298o(cđ) = -4025,4 - (-711,6) = -3313,8 (kJ).

Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo năng lượng liên kết

Biến thiên enthalpy của phản ứng (mà các chất đều ở thể khí), bằng hiệu số giữa tổng năng lượng liên kết của các chất đầu và tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm (ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất).

Ở điều kiện chuẩn: ΔrH298o= ∑Eb(cđ) – ∑Eb(sp).

Ví dụ 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)

Biết Eb (H-H) = 436 kJ/mol, Eb (Cl-Cl) = 243 kJ/mol, Eb (H-Cl) = 432 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng là:

ΔrH298o = Eb (H-H) + Eb (Cl-Cl) - 2×Eb (H-Cl) = 436 + 243 - 2×432 = -185 (kJ).

Phản ứng tỏa nhiệt vì khi tạo thành 2 liên kết H-Cl tỏa ra nhiệt lượng lớn hơn năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết H-H và Cl-Cl.

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)

Biết năng lượng liên kết (ở điều kiện chuẩn):

Liên kết

Hướng dẫn giải:

ΔrH298o = Eb (C=C) + 4Eb (C-H) + Eb (H-H) - Eb (C-C) - 6Eb (C-H)
= 612 + 4×418 + 436 - 346 - 6×418 = -134 (kJ).

Câu 1. Phản ứng tỏa nhiệt là
A. phản ứng tỏa năng lượng dưới dạng nhiệt.
B. phản ứng thu năng lượng dưới dạng nhiệt.
C. phản ứng trong đó có sự trao đổi electron.
D. phản ứng trong đó có tạo thành chất khí hoặc kết tủa.

Câu 2. Khi nung vôi, người ta sử dụng phản ứng đốt than để cung cấp nhiệt cho phản ứng phân hủy đá vôi. Phát biểu nào sau đây là đúng?
A. Phản ứng đốt than là phản ứng thu nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng tỏa nhiệt.
B. Phản ứng đốt than là phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.
C. Phản ứng đốt than và phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng tỏa nhiệt.
D. Phản ứng đốt than và phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.

Câu 3. Nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng ở điều kiện áp suất không đổi gọi là
A. biến thiên năng lượng của phản ứng.
B. biến thiên nhiệt lượng của phản ứng.
C. biến thiên enthalpy của phản ứng.
D. enthalpy của phản ứng.

Câu 4. Phương trình hóa học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị DrH gọi là
A. phương trình phân hủy.
B. phương trình trung hòa.
C. phương trình động hóa học.
D. phương trình nhiệt hóa học.

Câu 5. Phản ứng đốt cháy 2 mol khí hydrogen bằng 1 mol khí oxygen, tạo thành 2 mol nước ở trạng thái lỏng được biểu diễn như sau:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) = -571,6 kJ
Nhận xét nào sau đây là đúng?
A. Phản ứng trên tỏa ra nhiệt lượng là 571,6 kJ.
B. Phản ứng trên thu vào nhiệt lượng là 571,6 kJ.
C. Phản ứng trên cần cung cấp một nhiệt lượng là 571,6 kJ để phản ứng xảy ra.
D. Năng lượng của phản ứng là 571,6 kJ.

Câu 6. Phản ứng nhiệt phân hoàn toàn 1 mol Cu(OH)2, tạo thành 1 mol CuO và 1 mol H2O, thu vào nhiệt lượng 9,0 kJ. Phương trình nhiệt hóa học được biểu diễn như sau:
A. Cu(OH)2(s) CuO(s) + H2O(l); = -9,0 kJ
B. Cu(OH)2(s) CuO(s) + H2O(l); = +9,0 kJ
C. CuO(s) + H2O(l) Cu(OH)2(s); = -9,0 kJ
D. CuO(s) + H2O(l) Cu(OH)2(s); = +9,0 kJ

Câu 7. Biến thiên enthalpy chuẩn là nhiệt tỏa ra hay thu vào của phản ứng được xác định ở điều kiện chuẩn là:
A. áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/l (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 20oC (293K).
B. áp suất 1,5 bar (đối với chất khí), nồng độ 1,5 mol/l (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 20oC (293K).
C. áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/l (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 25oC (298K).
D. áp suất 1,5 bar (đối với chất khí), nồng độ 1,5 mol/l (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 25oC (298K)

Câu 8. Người ta xác định được một phản ứng hóa học có > 0. Đây là
A. phản ứng thu nhiệt.
B. phản ứng tỏa nhiệt.
C. phản ứng phân hủy.
D. phản ứng trung hòa.

Câu 9. Giá trị tuyệt đối của biến thiên enthalpy càng lớn thì
A. nhiệt tỏa ra càng ít và nhiệt thu vào càng nhiều.
B. nhiệt tỏa ra càng nhiều và nhiệt thu vào càng ít.
C. nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng càng ít.
D. nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng càng nhiều.

Câu 10. Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng
A. 0.
B. 1.
C. 2.
D. 3.

Hãy tiếp tục khám phá thêm các chương khác trong sách Kết nối tri thức để nắm vững kiến thức Hóa học lớp 10.

Nguồn: https://izumi.edu.vn/
Danh mục: Công thức