Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt là gì? Ý nghĩa Biến thiên Enthalpy là gì? Hóa 10 bài 17 KNTT

Vậy Phản ứng thu nhiệt, phản ứng tỏa nhiệt là gì? Ý nghĩa Biến thiên Enthalpy là gì? Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành và theo năng lượng liên kết ra sao? được hayhochoi trình bày ngắn gọn, dễ hiểu trong bài viết này.

I. Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt

- Khi các phản ứng hóa học xảy ra thường có sự trao đổi nhiệt với môi trường làm thay đổi nhiệt độ môi trường.

+ Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy nhiên liệu, phản ứng tạo gỉ sắt, phản ứng oxi hóa glucose trong cơ thể, … đều là các phản ứng tỏa nhiệt.

+ Phản ứng thu nhiệt là phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt.

Ví dụ: Các phản ứng trong lò nung vôi, nung clinker xi măng, … là các phản ứng thu nhiệt.

- Chú ý: Sự đốt cháy các loại nhiên liệu như xăng, dầu, cồn, khí gas, … xảy ra nhanh, tỏa nhiều nhiệt, dễ gây hỏa hoạn, thậm chí gây nổ mạnh, rất khó kiểm soát. Vì vậy, khi sử dụng chúng cần tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc phòng cháy.

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

1. Biến thiên enthalpy

- Biến thiên enthalpy của phản ứng (nhiệt phản ứng), kí hiệu là ∆_rH là nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng ở một điều kiện xác định.

- Phương trình hóa học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị ∆_rH gọi là phương trình nhiệt hóa học.

- Ví dụ: Ở điều kiện chuẩn, khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH₄, sản phẩm là CO₂(g) và H₂O(l), thì sẽ giải phóng một nhiệt lượng là 890 kJ.

Như vậy phản ứng có biến thiên enthalpy Δ_rH^o₂₉₈ = –890 kJ và được biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)  Δ_rH^o₂₉₈ = –890 kJ 

2. Biến thiên enthalpy chuẩn

- Biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hóa học, kí hiệu là Δ_rH^o₂₉₈ , chính là lượng nhiệt (tỏa ra hoặc thu vào) của phản ứng đó ở điều kiện chuẩn.

- Chú ý: Điều kiện chuẩn là điều kiện ứng với áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol L^-1 (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 298 K (25^oC).

3. Ý nghĩa của biến thiên enthalpy

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

∆_rH > 0: phản ứng thu nhiệt.

∆_rH < 0: phản ứng tỏa nhiệt.

- 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: Cho phản ứng đốt cháy methane và acetylene:

(1) CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) Δ_rH^o₂₉₈ = -890 kJ

(2) C₂H₂(g) + O₂(g) → 2CO₂(g) + H₂O(l) Δ_rH^o₂₉₈ = -1300,2 kJ

Khi đốt cháy cùng một thể tích khí CH₄ và C₂H₂, lượng nhiệt do C₂H₂ sinh ra nhiều gấp khoảng 1,5 lần lượng nhiệt do CH₄ sinh ra.

III. Tính biến thiên enthapyl của phản ứng theo nhiệt tạo thành

1. Khái niệm nhiệt tạo thành

- Nhiệt tạo thành của một chất (∆_fH) 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 (Δ_fH^o₂₉₈) 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:

Δ_fH^o₂₉₈ (O₂(g)) = 0 kJ/mol

2. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

- Biến thiên enthalpy của phản ứng được xác định bằng hiệu số giữa giữa tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm (sp) và tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu (cđ).

- Ở điều kiện chuẩn:

Δ_rH^o₂₉₈ = ΣΔ_fH^o₂₉₈ (sp) – ΣΔ_fH^o₂₉₈ (cđ) 

Trong tính toán cần lưu ý đến hệ số của các chất trong phương trình hóa học.

Ví dụ: Hãy xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethane:

C₂H₆(g) + O₂(g)  2CO₂(g) + 3H₂O (l)

Biết: Nhiệt tạo thành chuẩn của C₂H₆; O₂; CO₂; H₂O lần lượt là -84,7 kJ/mol; 0 kJ/mol; -393,5 kJ/mol; -285,8 kJ/mol.

Trả lời:

Tổng nhiệt tạo thành các chất đầu là:

ΣΔ_fH^o₂₉₈ (cd) = Δ_rH^o₂₉₈ (C₂H₆(g)).1 + Δ_rH^o₂₉₈ (O₂(g)). = –84,7.1 + 0. = –84,7 (kJ)

Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là:

ΣΔ_fH^o₂₉₈ (sp) = Δ_rH^o₂₉₈ (CO₂(g)).2 + Δ_rH^o₂₉₈ (H₂O(g)).3 = (–393,5.2) + (–285,8.3) = –1644,4 (kJ)

⇒ Biến thiên enthalpy của phản ứng:

Δ_rH^o₂₉₈ = ΣΔ_fH^o₂₉₈ (sp) – ΣΔ_fH^o₂₉₈ (cđ) = –1559,7 (kJ)

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

- Phản ứng hóa học là quá trình phá vỡ các liên kết trong chất đầu và hình thành các liên kết mới để tạo thành sản phẩm.

- 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:

Δ_rH^o₂₉₈ = Σ E_b (cđ) – Σ E_b (sp)

Ví dụ: Cho biết năng lượng liên kết trong các phân tử O₂, N₂, và NO lần lượt là 494 kJ/mol, 945 kJ/mol và 607 kJ/mol. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g)

Trả lời:

Ta có: Δ_rH^o₂₉₈ = [Σ E_b (N≡N).1 + Σ E_b (O=O).1] – E_b (NO).2 = [945.1 + 494.1] – 607.2 = 225 (kJ)

Chú ý: Biến thiên enthalpy của phản ứng có thể được xác định bằng nhiệt lượng kế.