Lớp 10 Hóa 10 - Kết nối tri thức

Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Bài học: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học đã giới thiệu cho các em lí thuyết về phản ứng tỏa nhiệt, thu nhiệt, tính biến thiên enthalpy của phản ứng. 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 Kết nối tri thức.

I. Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt

  • Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.
  • Phản ứng thu nhiệt là phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt.

 

                   

Ví dụ: 

  • Khi than, củi cháy, không khí xung quanh ấm hơn do phản ứng tỏa nhiệt.
  • Pha viên sủi vitamin C vào nước, khi viên sủi tan, thấy nước trong cốc mát hơn, đó là do xảy ra phản ứng thu nhiệt.
  • Khi nung vôi, người ta sử dụng phản ứng đốt than để cung cấp nhiệt cho phản ứng phân hủy đá vôi. Phản ứng đốt than là phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

1. Biến thiên enthalpy

  • Hầu hết các quá trình hóa học trong thực tế xảy ra ở điều kiện áp suất không đổi. Nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng ở điều kiện này gọi là biến thiên enthalpy của phản ứng (nhiệt phản ứng), kí hiệu là ΔrH.
  • Phương trình hóa học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị ΔrH gọi là phương trình nhiệt hóa học.

Ví dụ 1: Phản ứng đốt cháy 2 mol khí hydrogen bằng 1 mol khí oxygen, tạo thành 2 mol nước ở trạng thái lỏng, tỏa ra nhiệt lượng 571,6 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-571,6\;\mathrm{kJ}, biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

2H2 (g) + O2(g) \rightarrow 2H2O(l)                                     \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-571,6\;\mathrm{kJ}

Ví dụ 2: Phản ứng nhiệt phân hoàn toàn 1 mol Cu(OH)2 tạo thành 1 mol CuO và 1 mol H2O, thu vào nhiệt lượng 9,0 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy \bigtriangleup_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=+9,0\mathrm{kJ}\;và biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau: 

Cu(OH)2(s) \overset{t^{o} }{\rightarrow} CuO(s) + H2O(l)                                 \bigtriangleup_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=+9,0\mathrm{kJ}\;

2. Biến thiên enthalpy chuẩn

Biến thiên enthalpy chuẩn là nhiệt tỏa ra hay thu vào của phản ứng được xác định ở điều kiện chuẩn: áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/L (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 25oC (298K), kí hiệu \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol carbon graphite trong khí oxygen dư (ở điều kiện chuẩn) tạo ra 1 mol CO2, nhiệt lượng tỏa ra là 393,5 kJ. Phương trình nhiệt hóa học của phản ứng được viết như sau: 

C(graphite) + O2(g) \overset{t^{o} }{\rightarrow} CO2(g)                       \bigtriangleup_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-393,5\;\mathrm{kJ}

3. Ý nghĩa của biến thiên enthalpy

Dấu của biến thiên enthalpy cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt:

\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} > 0: phản ứng  thu nhiệt. 

\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} < 0: phản ứng tỏa nhiệt. 

Chú ý: Giá trị tuyệt đối của biến thiên enthalpy càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng càng nhiều. 

Ví dụ: Xét 2 phản ứng 

  CH4(g) + 2O2(g) \overset{t^{o} }{\rightarrow} CO2(g) + 2H2O(l)                    \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-890\;\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}

  CH3OH(l) + O2(g) \overset{t^{o} }{\rightarrow} CO2(g) + 2H2O(l)                  \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-726\;\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}

Vậy, khi đốt 1 mol methane (16 g) tỏa ra nhiệt lượng nhiều hơn đốt 1 mol methanol (32 g).

Chú ý: Các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng thường là phản ứng tỏa nhiệt, các phản ứng thu nhiệt thường xảy ra khi đun nóng.

III. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

1. Khái niệm nhiệt tạo thành

Nhiệt tạo thành (\trianglefH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững nhất, ở một điều kiện xác định.

Nhiệt tạo thành chuẩn (\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}) là nhiệt tạo thành ở điều kiện chuẩn.

 Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng không, ví dụ: 

\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}\;({\mathrm O}_2\;(\mathrm g))\;=\;0\;\mathrm{kJ}/\mathrm{mol})

Ví dụ 1:

Nước lỏng được tạo thành từ khí hydrogen và khí oxygen theo phản ứng:

{\mathrm H}_{2\;(\mathrm g)}\;+\;\frac12{\mathrm O}_{2\;(\mathrm g)}\;\rightarrow\;{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm l)}

Ở điều kiện chuẩn, cứ 1 mol H2O(l) tạo thành từ 1 mol H2(g) và 1/2 mol O2(g) giải phóng nhiệt lượng là 285,8 kJ.

 Như vậy, nhiệt tạo thành của nước lỏng: 

\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}\;({\mathrm H}_2\mathrm O\;(\mathrm l))\;=\;-285,8\;\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}

Ví dụ 2: Phản ứng

\frac12{\mathrm N}_2\;(\mathrm g)\;+\frac{\;1}2{\mathrm O}_2(\mathrm g)\;\rightarrow\;\mathrm{NO}\;(\mathrm g)\;

có biến thiên enthalpy:\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}\;({\mathrm H}_2\mathrm O(\mathrm l))\;=\;+90,3\;\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}.  Giá trị \triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} > 0, tức phản ứng này là phản ứng thu nhiệt.

2. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

Biến thiên enthalpy của phản ứng được xác định bằng hiệu số giữa tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm (sp) và tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu (cđ).

Ở điều kiện chuẩn: 

\triangle _{r} H_{298}^{o} = \sum \triangle _{f} H_{298}^{o} (sp) - \sum \triangle _{f} H_{298}^{o} (cđ)

Trong tính toán cần lưu ý đến hệ số của các chất trong phương trình hóa học.

Ví dụ 1: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn:{\mathrm{SO}}_2\;(\mathrm g)\;+\;\frac12{\mathrm O}_2\;(\mathrm g)\;\rightarrow{\mathrm{SO}}_3\;(\mathrm l)

biết nhiệt tạo tạo thành \triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} của SO2 (g) là –296,8 kJ/mol, của SO3 (l) là – 441,0 kJ/mol. 

Hướng dẫn giải:

\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm{SO}}_3(\mathrm l))\;-\;\lbrack\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm{SO}}_2(\mathrm g))\;+\;\frac12\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm O}_2(\mathrm g))\rbrack

              =\;–\;441,0\;–\;(–296,8\;+\;0.\frac12)\;=\;–144,2\;(\mathrm{kJ})

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn

4FeS2(s) + 11O2(g)  → 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)

 biết nhiệt tạo thành \triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} của các chất FeS2(s), Fe2O3(s) và SO2(g) lần lượt là –177,9 kJ/mol, –825,5 kJ/mol và –296,8 kJ/mol. 

Hướng dẫn giải: 

 Tổng nhiệt tạo thành các chất ban đầu là: 

{\textstyle\sum_{}^{}}\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}\;(\mathrm{cđ})\;=\;\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm{FeS}}_2\;(\mathrm s)).4\;+\;\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm O}_2\;(\mathrm g)).11

                            =   (–177,9).4 + 0.11 = –711,6 (kJ)

 Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là: 

{\textstyle\sum_{}^{}}\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}(\mathrm{sp})\;=\;\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm{Fe}}_2{\mathrm O}_3(\mathrm s)).2\;+\;\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}({\mathrm{SO}}_2(\mathrm g)).8

                             = (–825,5).2 + (–296,8).8 = –4025,4 (kJ) 

 Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng: 

\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}={\textstyle\sum_{}^{}}\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}(\mathrm{sp})\;-\;{\textstyle\sum_{}^{}}\triangle_{\mathrm f}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}(\mathrm{cđ})\;

               =  –4025,4 – (-711,6) = -3313,8 (kJ). 

IV. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo năng lượng liên kết

  • Phản ứng hoá học là quá trình phá vỡ liên kết trong chất đầu và hình thành các liên kết mới để tạo thành sản phẩm. Sự phá vỡ liên kết cần cung cấp năng lượng, còn sự hình thành liên kết lại giải phóng năng lượng.
  • Biến thiên enthalpy của phản ứng (mà các chất đều ở thể khí), bằng hiệu số giữa tổng năng lượng liên kết chất đầu và tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm (ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất).

Ở điều kiện chuẩn: 

 \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}={\textstyle\sum_{}^{}}{\mathrm E}_{\mathrm b}\;(\mathrm{cđ})\;-\;{\textstyle\sum_{}^{}}{\mathrm E}_{\mathrm b}\;(\mathrm{sp})

Ví dụ 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn 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.

Hướng dẫn giải:

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng là:

\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}  = Eb(H–H) + Eb(Cl–Cl) – 2.Eb(H–Cl)

               = 436 + 243 – 2.432 = –185 (kJ)

 Phản ứng tỏa nhiệt vì khi tạo thành 2 liên kết H–Cl tỏa ra năng lượng lớn hơn năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết H–H và Cl–Cl. 

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

C2H4(g) + H2(g)  → C2H6(g)

biết năng lượng liên kết (ở điều kiện chuẩn):

Liên kết H–H C–H C–C C=C
Phân tử hydrogen hydrocarbon alkane alkene
Eb (kJ/mol) 436 418 346 612

Hướng dẫn giải:

H2C=CH2 + H-H → H3C-CH3

\Rightarrow \triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o} = Eb (C=C) + 4Eb (C–H) + Eb (H–H) – Eb (C–C) – 6Eb (C–H)

                    = 612 + 4.418 + 436 – 346 – 6.418 = –134 (kJ).

Câu trắc nghiệm mã số: 21728,21729,21730
  • 10 lượt xem
Sắp xếp theo
🖼️
Xóa Gửi bình luận

Hóa 10 KNTT