Phản ứng hóa học và enthalpy

Bài học: Phản ứng hóa học và enthalpy đã giới thiệu đến các em lý thuyết phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt, enthalpy tạo thành và enthalpy của phản ứng hóa học. Bên cạnh là các ví dụ và bài tập có lời giải chi tiết, xây dựng dựa trên kiến thức trọng tâm chương trình hóa 10 Cánh diều.

I. Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt

Các phản ứng hoá học khi xảy ra luôn kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng. Năng lượng này gọi là năng lượng hoá học.

• Phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt gọi là phản ứng toả nhiệt.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy nhiên liệu, phản ứng tạo gỉ sắt, phản ứng oxi hoá glucose trong cơ thể,... 

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

Ví dụ: Phản ứng trong lò nung vôi, nung clinker xi măng,...

Với cùng một phản ứng, ở điều kiện khác nhau về nhiệt độ, áp suất thì lượng nhiệt kèm theo cũng khác nhau.

 Để thuận tiện cho việc so sánh lượng nhiệt kèm theo, người ta sử dụng điều kiện chuẩn và quy định như sau:

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 298K (25^oC).

II. Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

1. Enthalpy tạo thành chuẩn của một chất hóa học

Enthalpy tạo thành chuẩn (hay nhiệt tạo thành chuẩn) của một chất, kí hiệu là \(\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^0\), là lượng nhiệt kèm theo của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền nhất trong điều kiện chuẩn.

•  Khi phản ứng tỏa nhiệt: \(\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^0\) < 0.
•  Khi phản thu tỏa nhiệt thì: \(\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^0\) >0.

Ví dụ: Ở điều kiện chuẩn, phản ứng của 1 mol Na (thể rắn) với 0,5 mol Cl₂ (thể khí) thu được 1 mol NaCl (thể rắn) và giải phóng 411,2 kJ nhiệt. Biết rằng, ở điều kiện chuẩn, Na thể rắn bền hơn Na ở thể lỏng; chlorine dạng phân tử Cl₂ bền hơn dạng nguyên tử Cl. 

Na(s) + 0,5O₂(g) \(\rightarrow\) NaCl(s)                       _{\(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^0\;=\;-411,2\;\mathrm{kJmol}^{-1}\)}

Enthalpy tạo thành chuẩn của các đơn chất bền nhất đều bằng 0.

Ví dụ: Nhiệt tạo thành chuẩn của N₂, H₂ bằng 0.

2. Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng hóa học

Trong trường hợp tổng quát, nhiệt kèm theo (nhiệt lượng toả ra hay thu vào) của một phản ứng hoá học ở áp suất không đổi (và thường một nhiệt độ xác định) gọi là biến thiên enthalpy của phản ứng.

Biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hóa học, kí hiệu là \({\mathit\bigtriangleup}_{\mathit r}H_{\mathit{298}}^{\mathit0}\) chính là lượng nhiệt (tỏa ra hoặc thu vào) của phản ứng đó ở điều kiện chuẩn. 

Ví dụ 1: Phản ứng đốt cháy ethanol (C₂H₅OH) tỏa rất nhiều nhiệt:

C₂H₅OH(l)  + 3O₂(g) \(\overset{t^{\circ} }{\rightarrow}\) 2CO₂(g) + 3H₂O(l)             \(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^0=-1368\;\mathrm{kJmol}^{-1}\)        

 Như vậy, ở điều kiện chuẩn khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol C₂H₅OH, sản phẩm là CO₂(g) và H₂O(l), thì sẽ giải phóng một lượng nhiệt là 1368 kJ. 

Lưu ý: Cũng phản ứng này, nếu nước ở thể hơi thì giá trị \(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^0\)  sẽ khác đi. Đây là lí do cần phải ghi rõ thể của các chất khi viết phương trình các phản ứng có kèm theo giá trị \(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^0\).

Ví dụ 2: Phản ứng nhiệt phân CuO là phản ứng thu nhiệt:

2CuO(s) \(\rightarrow\)  Cu₂O(s) + 0,5O₂(g)                             _{\(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^0=287,4\;\mathrm{kJmol}^{-1}\)}

 Ở điều kiện chuẩn, để thu được 1 mol Cu₂O(s) từ CuO(s), cần phải cung cấp 287,4 kJ nhiệt lượng.