I. Cơ sở lý thuyết về enthalpy và biến thiên enthalpy chuẩn
Trong hóa học, enthalpy (H) là một hàm trạng thái được sử dụng để đo lượng nhiệt mà một hệ thống có thể trao đổi với môi trường ở áp suất không đổi. Biến thiên enthalpy (ΔH) là sự thay đổi enthalpy trong một quá trình phản ứng. Khi phản ứng xảy ra ở điều kiện chuẩn (298 K và 1 bar), biến thiên enthalpy được gọi là Tính Biến Thiên Enthalpy Chuẩn Của Phản ứng (ΔH°).
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng cho biết phản ứng tỏa nhiệt (ΔH° < 0) hay thu nhiệt (ΔH° > 0). Độ lớn của ΔH° phản ánh lượng nhiệt mà phản ứng tỏa ra hoặc thu vào.
II. Công thức tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng theo enthalpy tạo thành
Cho phản ứng tổng quát:
aA + bB → mM + nN
Trong đó:
- a, b, m, n là hệ số tỉ lượng của các chất.
- A, B là các chất phản ứng.
- M, N là các sản phẩm.
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng (ΔrHo298) được tính theo công thức:
ΔrHo298 = ∑ ΔfHo298(sản phẩm) – ∑ ΔfHo298(chất phản ứng)
Hay:
ΔrHo298 = [m × ΔfHo298(M) + n × ΔfHo298(N)] – [a × ΔfHo298(A) + b × ΔfHo298(B)]
Trong đó:
- ΔfHo298 là enthalpy tạo thành chuẩn 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 chuẩn.
- Enthalpy tạo thành chuẩn của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn bằng 0. Ví dụ: ΔfHo298(O2, khí) = 0, ΔfHo298(Fe, rắn) = 0.
III. Các bước giải bài tập tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng
- Xác định phản ứng hóa học cần tính: Đảm bảo phản ứng đã được cân bằng chính xác.
- Tìm giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của các chất: Tra cứu trong bảng số liệu hoặc đề bài cung cấp. Lưu ý đơn vị thường là kJ/mol.
- Áp dụng công thức tính biến thiên enthalpy chuẩn: Thay các giá trị vào công thức và tính toán.
- Kết luận: Xác định phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt dựa vào dấu của ΔrHo298.
IV. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Tính tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy methane (CH4):
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
Biết:
- ΔfHo298(CH4) = -74.6 kJ/mol
- ΔfHo298(CO2) = -393.5 kJ/mol
- ΔfHo298(H2O) = -285.8 kJ/mol
- ΔfHo298(O2) = 0 kJ/mol (đơn chất bền)
Giải:
ΔrHo298 = [1 × ΔfHo298(CO2) + 2 × ΔfHo298(H2O)] – [1 × ΔfHo298(CH4) + 2 × ΔfHo298(O2)]
= [1 × (-393.5) + 2 × (-285.8)] – [1 × (-74.6) + 2 × 0]
= -890.5 kJ/mol
Vậy, tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy methane là -890.5 kJ/mol. Phản ứng này tỏa nhiệt.
Ví dụ 2: Cho phản ứng:
2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) ΔrHo298 = -198 kJ
Tính nhiệt tạo thành chuẩn của SO3(g), biết ΔfHo298(SO2) = -297 kJ/mol.
Giải:
ΔrHo298 = 2 × ΔfHo298(SO3) – [2 × ΔfHo298(SO2) + ΔfHo298(O2)]
-198 = 2 × ΔfHo298(SO3) – [2 × (-297) + 0]
ΔfHo298(SO3) = (-198 + 594) / 2 = -396 / 2 = -198 kJ/mol.
V. Bài tập vận dụng
Câu 1: Tính tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau:
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
Biết: ΔfHo298(NH3) = -46.11 kJ/mol
A. -92.22 kJ B. +92.22 kJ C. -46.11 kJ D. +46.11 kJ
Câu 2: Cho phản ứng:
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
Biết:
- ΔfHo298(CaCO3) = -1206.9 kJ/mol
- ΔfHo298(CaO) = -635.1 kJ/mol
- ΔfHo298(CO2) = -393.5 kJ/mol
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng trên.
A. +178.3 kJ B. -178.3 kJ C. +246.3 kJ D. -246.3 kJ
Câu 3: Cho phản ứng:
C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)
Biết:
- ΔfHo298(C2H5OH) = -277.7 kJ/mol
- ΔfHo298(CO2) = -393.5 kJ/mol
- ΔfHo298(H2O) = -285.8 kJ/mol
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng và cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
VI. Lưu ý khi giải bài tập
- Đảm bảo phương trình hóa học đã được cân bằng.
- Kiểm tra kỹ đơn vị của các giá trị enthalpy tạo thành chuẩn.
- Chú ý đến trạng thái của các chất (rắn, lỏng, khí) vì enthalpy tạo thành chuẩn của cùng một chất ở các trạng thái khác nhau có thể khác nhau.
- Với các bài toán phức tạp, nên viết rõ công thức và thay số cẩn thận để tránh sai sót.
Nắm vững lý thuyết và luyện tập thường xuyên sẽ giúp bạn dễ dàng giải quyết các bài tập về tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng. Chúc các bạn học tốt!
