Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

1. Kiến thức trọng tâm

Enthalpy, kí hiệu $H$, là một hàm trạng thái đặc trưng cho nhiệt lượng của hệ ở áp suất không đổi. Biến thiên enthalpy của phản ứng, kí hiệu $\Delta_r H$, là lượng nhiệt mà hệ trao đổi với môi trường khi phản ứng xảy ra ở áp suất không đổi. Nếu \Delta_r H < 0, phản ứng toả nhiệt, hệ truyền nhiệt ra môi trường. Nếu \Delta_r H > 0, phản ứng thu nhiệt, hệ nhận nhiệt từ môi trường.

Nhiệt tạo thành chuẩn của một chất, kí hiệu $\Delta_f H^\circ$, là biến thiên enthalpy khi tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền nhất ở điều kiện chuẩn. Nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bền nhất bằng 0. Biến thiên enthalpy của phản ứng có thể tính từ nhiệt tạo thành chuẩn: $\Delta_r H^\circ = \sum \Delta_f H^\circ(\text{sản phẩm}) - \sum \Delta_f H^\circ(\text{chất phản ứng})$. Ngoài ra, biến thiên enthalpy còn có thể tính từ năng lượng liên kết: $\Delta_r H = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ}) - \sum E_b(\text{liên kết được hình thành})$, trong đó $E_b$ là năng lượng liên kết. Định luật Hess cho biết biến thiên enthalpy của một phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng.

2. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1. Cho phản ứng đốt cháy methane: $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l)$. Biết nhiệt tạo thành chuẩn của $CH_4$, $CO_2$, $H_2O$ lần lượt là $-74,8$; $-393,5$; $-285,8$ kJ/mol, của $O_2$ bằng 0. Biến thiên enthalpy của phản ứng là: $\Delta_r H^\circ = [(-393,5) + 2 \times (-285,8)] - [(-74,8) + 0] = -890,3$ kJ/mol. Phản ứng toả nhiệt mạnh.

Ví dụ 2. Phản ứng $N_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2NO(g)$ có $\Delta_r H^\circ = +180$ kJ/mol. Đây là phản ứng thu nhiệt, cần cung cấp năng lượng để xảy ra.

3. Ghi nhớ

• \Delta_r H < 0: phản ứng toả nhiệt; \Delta_r H > 0: phản ứng thu nhiệt.
• Nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bền nhất bằng 0.
• $\Delta_r H$ tính được từ nhiệt tạo thành chuẩn hoặc từ năng lượng liên kết.
• Định luật Hess: $\Delta_r H$ chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối.