I. Cơ sở lý thuyết về Enthalpy và Biến Thiên Enthalpy
Enthalpy (H) là một hàm trạng thái thermodynamic biểu thị tổng năng lượng bên trong của một hệ thống và tích của áp suất và thể tích của nó. Tuy nhiên, chúng ta thường quan tâm đến sự thay đổi enthalpy, hay còn gọi là biến thiên enthalpy (ΔH), hơn là giá trị tuyệt đối của nó. Biến thiên enthalpy cho biết lượng nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng trong một phản ứng hóa học ở áp suất không đổi.
Biến thiên enthalpy của phản ứng là hiệu số giữa tổng enthalpy của sản phẩm và tổng enthalpy của chất phản ứng. Công thức tổng quát như sau:
ΔH phản ứng = ΣH(sản phẩm) – ΣH(chất phản ứng)
II. Tính Biến Thiên Enthalpy của Phản Ứng theo Enthalpy Tạo Thành
Enthalpy tạo thành chuẩn (ΔfH°) là biến thiên enthalpy khi một mol hợp chất được tạo thành từ các nguyên tố ở trạng thái chuẩn của chúng (298K và 1 bar).
Để tính biến thiên enthalpy của một phản ứng dựa vào enthalpy tạo thành, ta sử dụng công thức:
ΔrH°298 = ΣnΔfH°298(sản phẩm) – ΣmΔfH°298(chất phản ứng)
Trong đó:
- ΔrH°298 là biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng ở 298K.
- ΔfH°298(chất) là enthalpy tạo thành chuẩn của chất ở 298K.
- n, m là hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình hóa học cân bằng.
Chú ý: Enthalpy tạo thành chuẩn của một nguyên tố ở trạng thái chuẩn luôn bằng 0.
III. Phản Ứng Tỏa Nhiệt và Phản Ứng Thu Nhiệt
- Phản ứng tỏa nhiệt: Là phản ứng giải phóng nhiệt ra môi trường. Biến thiên enthalpy của phản ứng tỏa nhiệt có giá trị âm (ΔH < 0).
- Phản ứng thu nhiệt: Là phản ứng hấp thụ nhiệt từ môi trường. Biến thiên enthalpy của phản ứng thu nhiệt có giá trị dương (ΔH > 0).
Phản ứng tỏa nhiệt thường dễ xảy ra hơn so với phản ứng thu nhiệt. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như entropy và nhiệt độ.
IV. Ví dụ Minh Họa
Ví dụ 1: Xét phản ứng đốt cháy methane:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
Cho biết:
- ΔfH°298(CH4(g)) = -74.8 kJ/mol
- ΔfH°298(CO2(g)) = -393.5 kJ/mol
- ΔfH°298(H2O(g)) = -241.8 kJ/mol
- ΔfH°298(O2(g)) = 0 kJ/mol
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy methane.
Giải:
ΔrH°298 = [ΔfH°298(CO2(g)) + 2ΔfH°298(H2O(g))] – [ΔfH°298(CH4(g)) + 2ΔfH°298(O2(g))]
= [-393.5 + 2(-241.8)] – [-74.8 + 2(0)]
= -802.3 + 74.8
= -727.5 kJ/mol
Vậy, phản ứng đốt cháy methane là phản ứng tỏa nhiệt và giải phóng 727.5 kJ nhiệt cho mỗi mol CH4 bị đốt cháy.
Ví dụ 2: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau:
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
Biết enthalpy tạo thành chuẩn của NH3(g) là -46.11 kJ/mol.
Giải:
ΔrH°298 = 2 ΔfH°298(NH3(g)) – [ΔfH°298(N2(g)) + 3 ΔfH°298(H2(g))]
= 2 (-46.11) – [0 + 3 0]
= -92.22 kJ/mol
Phản ứng tổng hợp ammonia là phản ứng tỏa nhiệt.
V. Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau:
2H2S(g) + 3O2(g) → 2H2O(g) + 2SO2(g)
Biết:
| Chất | ΔfH°298 (kJ/mol) |
|---|---|
| H2S(g) | -20.6 |
| H2O(g) | -241.8 |
| SO2(g) | -296.8 |
| O2(g) | 0 |
Câu 2: Cho phản ứng:
Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)
Biết:
ΔfH°298(Fe2O3(s)) = -824.2 kJ/mol
ΔfH°298(CO(g)) = -110.5 kJ/mol
ΔfH°298(CO2(g)) = -393.5 kJ/mol
ΔfH°298(Fe(s)) = 0 kJ/mol
Tính nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào khi phản ứng hoàn toàn 1 mol Fe2O3.
Câu 3: Xét phản ứng:
C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)
Biết ΔH của phản ứng là -137 kJ/mol. Tính enthalpy tạo thành của C2H6(g) biết:
ΔfH°298(C2H4(g)) = 52.3 kJ/mol
ΔfH°298(H2(g)) = 0 kJ/mol
Câu 4: Cho phản ứng:
CaO(s) + CO2(g) → CaCO3(s)
Biết:
ΔfH°298(CaO(s)) = -635.1 kJ/mol
ΔfH°298(CO2(g)) = -393.5 kJ/mol
ΔfH°298(CaCO3(s)) = -1206.9 kJ/mol
Phản ứng trên là tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào khi chuyển 100 gam CaCO3 thành CaO và CO2.
Câu 5: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau từ năng lượng liên kết (không sử dụng enthalpy tạo thành):
H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)
Biết năng lượng liên kết (kJ/mol): H-H (436), Cl-Cl (243), H-Cl (431).
VI. Ứng Dụng của Tính Biến Thiên Enthalpy
Việc tính toán biến thiên enthalpy của phản ứng có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế, bao gồm:
- Dự đoán khả năng xảy ra của phản ứng: Các phản ứng tỏa nhiệt thường dễ xảy ra hơn.
- Tính toán nhiệt lượng cần thiết hoặc nhiệt lượng giải phóng trong các quá trình công nghiệp: Giúp tối ưu hóa các quy trình sản xuất và đảm bảo an toàn.
- Nghiên cứu và phát triển các loại nhiên liệu mới: Đánh giá hiệu quả năng lượng của các loại nhiên liệu.
- Tính toán cân bằng hóa học: Xác định thành phần hỗn hợp phản ứng ở trạng thái cân bằng.
Hiểu rõ về “Tính Biến Thiên Enthalpy Của Phản ứng” là nền tảng quan trọng để nắm vững các khái niệm về nhiệt động lực học và ứng dụng chúng vào thực tiễn. Việc luyện tập các bài tập sẽ giúp bạn củng cố kiến thức và kỹ năng giải quyết vấn đề liên quan đến enthalpy.
