Biến thiên enthalpy | Công thức, cách tính và bài tập có lời giải

Biến thiên enthalpy là đại lượng biểu thị sự thay đổi enthalpy của một phản ứng hóa học, thường được ký hiệu là \(\Delta_r H\). Dựa vào dấu của biến thiên enthalpy, có thể xác định phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt và mô tả sự thay đổi năng lượng của hệ trong quá trình phản ứng.

Bài viết làm rõ biến thiên enthalpy là gì, ý nghĩa và đơn vị của đại lượng này, đồng thời trình bày biến thiên enthalpy chuẩn, công thức và cách tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo enthalpy tạo thành và năng lượng liên kết.

Biến thiên enthalpy là gì?

Hầu hết các quá trình hoá học trong thực tế xảy ra ở điều kiện áp suất không đổi. Nhiệt lượng toả 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 [1].

Phương trình hoá học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị ΔᵣH gọi là phương trình nhiệt hoá học [1].

Kí hiệu và đơn vị của biến thiên enthalpy:

Biến thiên enthalpy của phản ứng được kí hiệu là ΔᵣH. Với phương trình phản ứng đã viết, nhiệt phản ứng thường được biểu diễn bằng kJ; các đại lượng mol như enthalpy tạo thành chuẩn và năng lượng liên kết thường dùng đơn vị kJ/mol.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy 2 mol khí hydrogen bằng 1 mol khí oxygen, tạo thành 2 mol nước ở trạng thái lỏng, toả ra nhiệt lượng ΔᵣH=-571,6 kJ.

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)

ΔᵣH = -571,6 kJ.

Điều này cho biết quá trình tạo thành nước lỏng theo phương trình trên là quá trình tỏa nhiệt.

Biến thiên enthalpy phụ thuộc vào yếu tố nào?

Biến thiên enthalpy phụ thuộc vào cách viết phương trình phản ứng, trạng thái vật lí của các chất và điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất. Nếu thay đổi hệ số của toàn bộ phương trình, giá trị ΔᵣH cũng thay đổi theo cùng tỉ lệ.

Ví dụ:

H₂ + 1/2O₂ → H₂O thì ΔᵣH = -285,8 kJ

Nếu viết:

2H₂ + O₂ → 2H₂O thì: ΔᵣH = -571,6 kJ.

Do đó, trước khi tính toán, học sinh cần kiểm tra phương trình đã được cân bằng chính xác hay chưa.

Biến thiên enthalpy chuẩn

Để so sánh biến thiên enthalpy của các phản ứng khác nhau, các giá trị cần được xác định ở cùng điều kiện [1].

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng thường được kí hiệu là ΔᵣH°₂₉₈ khi nhiệt độ chuẩn được chọn là 298 K (25°C).

Biến thiên enthalpy chuẩn là nhiệt toả ra hay thu vào của phản ứng được xác định ở điều kiện chuẩn:

• Chất khí ở áp suất 1 bar.

• Chất tan trong dung dịch có nồng độ 1 mol/L, hay 1 M.

• Nhiệt độ thường được chọn là 25°C, tương đương 298 K.

Ví dụ:

C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g)

ΔᵣH° = -393,5 kJ.

Giá trị này cho biết khi carbon ở dạng graphite phản ứng với oxygen tạo thành carbon dioxide ở điều kiện chuẩn, phản ứng giải phóng nhiệt.

Trạng thái vật lí của chất cần được ghi rõ vì cùng một chất ở các trạng thái khác nhau có thể có enthalpy khác nhau. Khi đọc phương trình nhiệt hóa học, học sinh cần chú ý các kí hiệu trạng thái:

• (g): chất khí.

• (l): chất lỏng.

• (s): chất rắn.

Một phản ứng có thể có giá trị ΔᵣH khác nhau nếu trạng thái vật lí của sản phẩm hoặc chất đầu thay đổi.

Công thức và cách tính biến thiên enthalpy của phản ứng

Trong chương trình Hóa học 10, biến thiên enthalpy của phản ứng thường được tính theo enthalpy tạo thành chuẩn hoặc năng lượng liên kết.

Tính theo enthalpy tạo thành chuẩn:

ΔᵣH° = ΣΔfH°(sản phẩm) − ΣΔfH°(chất đầu)

Trong đó, giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của mỗi chất được nhân với hệ số tương ứng trong phương trình hóa học.

Tính theo năng lượng liên kết:

ΔᵣH ≈ ΣE(liên kết bị phá vỡ) − ΣE(liên kết được hình thành)

Phương pháp được lựa chọn tùy theo dữ kiện đề bài cung cấp. Nếu đề cho enthalpy tạo thành chuẩn, sử dụng công thức theo enthalpy tạo thành; nếu đề cho năng lượng liên kết, sử dụng công thức theo năng lượng liên kết.

Công thức tính biến thiên enthalpy theo enthalpy tạo thành

Enthalpy tạo thành là gì?

Enthalpy tạo thành chuẩn (nhiệt 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.

Kí hiệu thường dùng: ΔfH°₂₉₈.

Ví dụ, phản ứng tạo thành CO₂:

C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g)

có ΔfH°(CO₂) = -393,5 kJ/mol.

Cần lưu ý: Enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất ở trạng thái bền nhất trong điều kiện chuẩn được quy ước bằng 0.

Ví dụ:

ΔfH°(O₂) = 0.

ΔfH°(H₂) = 0.

ΔfH°(C, graphite) = 0.

Công thức biến thiên enthalpy theo enthalpy tạo thành

Khi biết enthalpy tạo thành chuẩn của các chất, biến thiên enthalpy của phản ứng được tính theo:

ΔᵣH° = ΣΔfH°(sản phẩm) − ΣΔfH°(chất đầu)

Trong đó, cần nhân ΔfH° của mỗi chất với hệ số của chất đó trong phương trình hóa học.

Có thể đọc công thức theo thứ tự: tổng enthalpy tạo thành của sản phẩm trừ tổng enthalpy tạo thành của chất đầu.

Ví dụ

Xét phản ứng:

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

Cho:

ΔfH°(CaCO₃) = -1207 kJ/mol.

ΔfH°(CaO) = -635 kJ/mol.

ΔfH°(CO₂) = -393,5 kJ/mol.

Áp dụng công thức:

ΔᵣH° = ΣΔfH°(sản phẩm) − ΣΔfH°(chất đầu)

Kết quả:

ΔᵣH° = [(-635) + (-393,5)] − (-1207)

ΔᵣH° = -1028,5 + 1207

ΔᵣH° = +178,5 kJ.

Vì ΔᵣH° > 0 nên đây là phản ứng thu nhiệt.

Qua ví dụ trên, học sinh cần chú ý ba bước:

Bước 1: Viết đúng phương trình phản ứng.

Bước 2: Xác định các giá trị ΔfH° của chất đầu và sản phẩm.

Bước 3: Thay vào công thức và xét dấu của ΔᵣH°.

Nếu phương trình có hệ số lớn hơn 1, phải nhân giá trị ΔfH° với hệ số đó.

Công thức tính biến thiên enthalpy theo năng lượng liên kết

Năng lượng liên kết là gì?

Trong một phân tử, các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. Muốn phá vỡ một liên kết cần cung cấp năng lượng. Ngược lại, khi các nguyên tử hình thành liên kết mới, năng lượng được giải phóng.

Do đó:

• Phá vỡ liên kết → hấp thụ năng lượng.

• Hình thành liên kết → giải phóng năng lượng.

Dựa trên nguyên tắc này, có thể tính gần đúng biến thiên enthalpy theo năng lượng liên kết. Phương pháp sử dụng năng lượng liên kết trung bình và thường được áp dụng cho phản ứng có các chất ở trạng thái khí [1]:

ΔᵣH ≈ ΣE(liên kết bị phá vỡ) − ΣE(liên kết được hình thành)

Dấu “≈” được sử dụng vì năng lượng liên kết thường là giá trị trung bình và phương pháp này cho kết quả gần đúng.

Cách tính biến thiên enthalpy theo năng lượng liên kết

Khi tính ΔᵣH theo năng lượng liên kết, học sinh nên thực hiện:

Bước 1: Viết và cân bằng phương trình hóa học.

Bước 2: Xác định tất cả liên kết bị phá vỡ trong chất đầu.

Bước 3: Xác định tất cả liên kết được hình thành trong sản phẩm.

Bước 4: Tính tổng năng lượng của các liên kết bị phá vỡ.

Bước 5: Tính tổng năng lượng của các liên kết được hình thành.

Bước 6: Áp dụng công thức và xét dấu.

Ví dụ

Xét phản ứng:

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

Cho:

E(H–H) = 436 kJ/mol.

E(Cl–Cl) = 243 kJ/mol.

E(H–Cl) = 432 kJ/mol.

Trong chất đầu có một liên kết H–H và một liên kết Cl–Cl bị phá vỡ.

Năng lượng cần để phá vỡ liên kết:

436 + 243 = 679 kJ.

Trong sản phẩm có hai liên kết H–Cl được hình thành.

Năng lượng giải phóng khi hình thành liên kết:

2 × 432 = 864 kJ.

Do đó:

ΔᵣH ≈ 679 − 864

ΔᵣH ≈ -185 kJ.

Vì ΔᵣH < 0 nên phản ứng là phản ứng tỏa nhiệt.

Qua ví dụ này, học sinh cần tránh nhầm thứ tự các đại lượng trong công thức.

Phá trước – hình thành sau: ΔᵣH ≈ năng lượng phá vỡ − năng lượng hình thành.

Sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy

Trên sơ đồ biến thiên enthalpy, độ chênh lệch giữa mức enthalpy của chất đầu và sản phẩm tương ứng với ΔᵣH.

Ý nghĩa của biến thiên enthalpy

Ý nghĩa của biến thiên enthalpy được thể hiện qua dấu và độ lớn của ΔᵣH.

ΔᵣH < 0: enthalpy sản phẩm thấp hơn chất đầu; ΔᵣH > 0: enthalpy sản phẩm cao hơn chất đầu.

Ví dụ, nếu một phản ứng có:

ΔᵣH = -250 kJ thì theo phương trình phản ứng đã viết, phản ứng giải phóng 250 kJ.

Nếu ΔᵣH = +250 kJ thì phản ứng hấp thụ 250 kJ.

Độ lớn của ΔᵣH cho biết mức độ trao đổi nhiệt của phản ứng theo phương trình đã viết. Tuy nhiên, cần tránh một cách hiểu chưa chính xác rằng ΔᵣH càng âm thì phản ứng càng dễ xảy ra.

Khả năng một phản ứng có tự xảy ra hay không không chỉ phụ thuộc vào ΔᵣH mà còn liên quan đến các yếu tố nhiệt động khác, đặc biệt là entropy. Vì vậy, trong phạm vi bài học này, học sinh chủ yếu sử dụng dấu của ΔᵣH để xác định phản ứng tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt và tính lượng nhiệt trao đổi.

Bài tập vận dụng tính biến thiên enthalpy

Tính theo enthalpy tạo thành

Cho phản ứng:

2CO(g) + O₂(g) → 2CO₂(g)

Biết:

ΔfH°(CO) = -110,5 kJ/mol.

ΔfH°(CO₂) = -393,5 kJ/mol.

ΔfH°(O₂) = 0.

Yêu cầu: Tính ΔᵣH° và xác định phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.

Lời giải

Áp dụng:

ΔᵣH° = ΣΔfH°(sản phẩm) − ΣΔfH°(chất đầu)

Sản phẩm gồm 2 mol CO₂:

2 × (-393,5) = -787 kJ.

Chất đầu gồm 2 mol CO và 1 mol O₂:

2 × (-110,5) + 1 × 0 = -221 kJ.

Do đó:

ΔᵣH° = -787 − (-221)

ΔᵣH° = -566 kJ.

Vì ΔᵣH° < 0 nên phản ứng tỏa nhiệt.

Như vậy, theo phương trình đã viết, phản ứng giải phóng 566 kJ nhiệt.

Tính theo năng lượng liên kết

Cho phản ứng:

H₂ + Cl₂ → 2HCl

Các năng lượng liên kết:

E(H–H) = 436 kJ/mol.

E(Cl–Cl) = 243 kJ/mol.

E(H–Cl) = 432 kJ/mol.

Lời giải

Liên kết bị phá vỡ: 1 H–H và 1 Cl–Cl.

Tổng: 436 + 243 = 679 kJ.

Liên kết được hình thành: 2 H–Cl.

Tổng: 2 × 432 = 864 kJ.

Áp dụng: ΔᵣH ≈ 679 − 864

ΔᵣH ≈ -185 kJ. Vì ΔᵣH < 0 nên phản ứng tỏa nhiệt.

Bài tập 3: Xác định ý nghĩa dấu của ΔᵣH

Cho ba phản ứng có giá trị:

Phản ứng A: ΔᵣH = -125 kJ.

Phản ứng B: ΔᵣH = +80 kJ.

Phản ứng C: ΔᵣH = -350 kJ.

Lời giải

Dựa vào dấu của ΔᵣH:

• Phản ứng A có ΔᵣH < 0 → tỏa nhiệt.

• Phản ứng B có ΔᵣH > 0 → thu nhiệt.

• Phản ứng C có ΔᵣH < 0 → tỏa nhiệt.

Trong ba phản ứng, phản ứng C có giá trị ΔᵣH âm lớn hơn về độ lớn, nên theo phương trình đã viết, lượng nhiệt giải phóng lớn hơn phản ứng A.

Cách chọn công thức khi tính biến thiên enthalpy

Khi giải bài tập biến thiên enthalpy, học sinh có thể xác định công thức phù hợp theo các quy tắc sau:

Quy tắc 1: ΔᵣH âm → tỏa nhiệt.

Quy tắc 2: ΔᵣH dương → thu nhiệt.

Quy tắc 3: Tính theo enthalpy tạo thành: Sản phẩm − Chất đầu.

Quy tắc 4: Tính theo năng lượng liên kết: Phá vỡ − Hình thành.

Quy tắc 5: Luôn kiểm tra hệ số phương trình trước khi tính.

Quy tắc 6: Đơn chất ở trạng thái bền nhất trong điều kiện chuẩn có ΔfH° = 0.

Trước khi thay số, học sinh cần xác định dữ kiện của đề là enthalpy tạo thành hay năng lượng liên kết. Nếu đề cho bảng ΔfH°, sử dụng công thức theo enthalpy tạo thành; nếu đề cho năng lượng các liên kết, sử dụng công thức theo năng lượng liên kết.

Biến thiên enthalpy là đại lượng quan trọng dùng để mô tả sự thay đổi enthalpy của một phản ứng hóa học trong điều kiện xác định. Dựa vào dấu của ΔᵣH, học sinh có thể phân biệt hai loại phản ứng chính: phản ứng tỏa nhiệt có ΔᵣH < 0 và phản ứng thu nhiệt có ΔH > 0.

Biến thiên enthalpy chuẩn ΔᵣH° là biến thiên enthalpy của phản ứng ở điều kiện chuẩn, thường xét với áp suất 1 bar, nồng độ chất tan 1 mol/L và nhiệt độ 25°C.

Để tìm hiểu thêm các kiến thức liên quan và củng cố nội dung Hóa học 10, người học có thể tham khảo chuyên mục bài giảng Hóa học 10 tại ZIM Academy.