I. Phản Ứng Tỏa Nhiệt và Phản Ứng Thu Nhiệt
Phản ứng hóa học luôn đi kèm với sự thay đổi năng lượng. Trong đó, phản ứng tỏa nhiệt giải phóng năng lượng ra môi trường, còn phản ứng thu nhiệt hấp thụ năng lượng từ môi trường.
- Phản ứng tỏa nhiệt: Giải phóng năng lượng (dưới dạng nhiệt).
- Phản ứng thu nhiệt: Hấp thụ năng lượng (dưới dạng nhiệt).
Ví dụ:
- Phản ứng tỏa nhiệt: Đốt cháy nhiên liệu (than, củi, gas…) là phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ môi trường xung quanh.
- Phản ứng thu nhiệt: Phản ứng hòa tan muối khan (ví dụ: NH4Cl) trong nước thường làm giảm nhiệt độ của dung dịch.
II. Biến Thiên Enthalpy của Phản Ứng (ΔH)
1. Định Nghĩa và Phương Trình Nhiệt Hóa Học
Biến Thiên Enthalpy Của Phản ứng (ΔH), còn gọi là “nhiệt phản ứng”, là lượng nhiệt mà hệ hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình phản ứng ở điều kiện áp suất không đổi.
- Kí hiệu: ΔrH
- Đơn vị: kJ hoặc kJ/mol
Phương trình nhiệt hóa học là phương trình hóa học có kèm theo giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng và trạng thái của các chất.
Ví dụ:
H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) ΔrH298o = -285.8 kJ/mol
Phương trình này cho biết, khi 1 mol khí hydrogen phản ứng với 0.5 mol khí oxygen tạo thành 1 mol nước lỏng ở điều kiện chuẩn (298K, 1 bar), phản ứng tỏa ra 285.8 kJ nhiệt.
2. Biến Thiên Enthalpy Chuẩn (ΔH°298)
Biến thiên enthalpy chuẩn (ΔH°298) là biến thiên enthalpy của phản ứng được đo ở điều kiện chuẩn:
- Áp suất: 1 bar (đối với chất khí).
- Nồng độ: 1 mol/L (đối với chất tan trong dung dịch).
- Nhiệt độ: Thường là 25°C (298 K).
3. Ý Nghĩa của Biến Thiên Enthalpy
- ΔH > 0: Phản ứng thu nhiệt (hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường).
- ΔH < 0: Phản ứng tỏa nhiệt (hệ giải phóng nhiệt ra môi trường).
Giá trị tuyệt đối của ΔH càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào càng nhiều. Điều này cho thấy mức độ mạnh mẽ của phản ứng về mặt năng lượng.
Ví dụ:
Phản ứng đốt cháy methane: CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔrH298o = -890 kJ/mol
Phản ứng đốt cháy ethanol: C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) ΔrH298o = -1367 kJ/mol
Kết luận: Đốt cháy 1 mol ethanol tỏa ra nhiều nhiệt hơn so với đốt cháy 1 mol methane.
Thông thường, các phản ứng xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ phòng là các phản ứng tỏa nhiệt (ΔH < 0). Các phản ứng thu nhiệt (ΔH > 0) thường cần cung cấp năng lượng (ví dụ: đun nóng) để xảy ra.
III. Tính Biến Thiên Enthalpy của Phản Ứng
1. Theo Nhiệt Tạo Thành (ΔfH)
Nhiệt tạo thành (ΔfH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền nhất ở điều kiện xác định.
Nhiệt tạo thành chuẩn (ΔfH°298) là nhiệt tạo thành ở điều kiện chuẩn (298 K, 1 bar).
Lưu ý: Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng 0. Ví dụ: ΔfH°298(O2(g)) = 0 kJ/mol.
Công thức tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành:
ΔrH298o = Σ ΔfH°298(sản phẩm) – Σ ΔfH°298(chất đầu)
Trong đó:
- Σ ΔfH°298(sản phẩm): Tổng nhiệt tạo thành chuẩn của các sản phẩm.
- Σ ΔfH°298(chất đầu): Tổng nhiệt tạo thành chuẩn của các chất đầu.
Lưu ý nhân các giá trị ΔfH°298 với hệ số tỉ lượng tương ứng trong phương trình hóa học.
Ví dụ: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:
4FeS2(s) + 11O2(g) → 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)
Biết: ΔfH°298(FeS2(s)) = -177.9 kJ/mol, ΔfH°298(Fe2O3(s)) = -825.5 kJ/mol, ΔfH°298(SO2(g)) = -296.8 kJ/mol.
2. Theo Năng Lượng Liên Kết (Eb)
Năng lượng liên kết (Eb) là năng lượng cần thiết để phá vỡ 1 mol liên kết cộng hóa trị ở thể khí, tạo thành các nguyên tử ở thể khí.
Công thức tính biến thiên enthalpy của phản ứng (các chất đều ở thể khí) theo năng lượng liên kết:
ΔrH298o = Σ Eb(chất đầu) – Σ Eb(sản phẩm)
Trong đó:
- Σ Eb(chất đầu): Tổng năng lượng liên kết của các chất đầu.
- Σ Eb(sản phẩm): Tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm.
Ví dụ: Tính biến thiên enthalpy 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.
IV. Ứng Dụng của Biến Thiên Enthalpy
Biến thiên enthalpy là một thông số quan trọng trong hóa học và có nhiều ứng dụng thực tiễn:
- Dự đoán khả năng xảy ra của phản ứng: Các phản ứng tỏa nhiệt thường dễ xảy ra hơn.
- Tính toán nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào của phản ứng: Ứng dụng trong công nghiệp, thiết kế lò phản ứng, hệ thống sưởi ấm, làm mát.
- Nghiên cứu năng lượng hóa học: Tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, hiệu quả hơn.
- Đánh giá hiệu quả của các quá trình hóa học: Tối ưu hóa các quy trình sản xuất.
V. Kết Luận
Biến thiên enthalpy là một khái niệm cơ bản và quan trọng trong hóa học. Hiểu rõ về biến thiên enthalpy giúp chúng ta dự đoán, tính toán và điều khiển các phản ứng hóa học một cách hiệu quả, góp phần vào sự phát triển của khoa học và công nghệ.
