Phản ứng thu nhiệt | Ví dụ, dấu hiệu và ứng dụng Hóa 10

Trong chương trình Hóa học 10 Kết nối tri thức, phản ứng thu nhiệt là phản ứng hấp thụ nhiệt từ môi trường vào hệ, làm enthalpy của hệ tăng và có biến thiên enthalpy \(\Delta H > 0\). Việc hiểu phản ứng thu nhiệt là gì, chiều truyền nhiệt giữa hệ và môi trường, dấu của biến thiên enthalpy cùng các ví dụ phản ứng thu nhiệt giúp học sinh nhận biết và phân biệt phản ứng thu nhiệt với phản ứng tỏa nhiệt trong phương trình nhiệt hóa học.

Phản ứng thu nhiệt là gì?

Phản ứng thu nhiệt là phản ứng trong đó hệ hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường. Khi phản ứng xảy ra, nhiệt được truyền từ môi trường vào hệ phản ứng. [1]

Sơ đồ phản ứng thu nhiệt

Môi trường → nhiệt → hệ phản ứng

Ngược lại, đối với phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt truyền từ hệ phản ứng ra môi trường. Vì vậy, chiều truyền nhiệt là một dấu hiệu giúp phân biệt phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt. [1]

Trong thực tế, khi một phản ứng hấp thụ nhiệt từ môi trường, nhiệt độ của môi trường xung quanh có thể giảm. Chẳng hạn, khi thả viên sủi vitamin C vào nước, nước trong cốc trở nên mát hơn; đây là ví dụ được sử dụng trong SGK Hóa học 10 để minh họa phản ứng thu nhiệt. [1]

Không thể chỉ dựa vào việc phản ứng cần đun nóng để kết luận đó là phản ứng thu nhiệt, vì một số phản ứng chỉ cần năng lượng ban đầu để khơi mào nhưng sau đó vẫn giải phóng nhiệt. Khi có dữ kiện về biến thiên enthalpy, dấu của \(\Delta_{r}H\) là căn cứ trực tiếp để xác định phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt. [1]

Có phải phản ứng thu năng lượng nào cũng thu nhiệt?

Không thể chỉ dựa vào việc một quá trình hấp thụ năng lượng để kết luận đó là phản ứng thu nhiệt. Chẳng hạn, việc quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng không phải là căn cứ trực tiếp để phân loại theo hiệu ứng nhiệt; cần xét sự trao đổi nhiệt và dấu của biến thiên enthalpy.

Do đó, khi nhận biết phản ứng thu nhiệt, cần phân biệt dạng năng lượng mà hệ hấp thụ và ưu tiên căn cứ vào chiều truyền nhiệt hoặc dấu \(\Delta_{r}H\).

Ứng dụng của phản ứng thu nhiệt

Trong sản xuất vôi, phản ứng phân hủy đá vôi \(CaCO_3\) là một ví dụ điển hình của phản ứng thu nhiệt. Quá trình này cần được cung cấp nhiệt liên tục để chuyển \(CaCO_3\) thành \(CaO\) và \(CO_2\). Đây cũng là một ứng dụng của phản ứng thu nhiệt trong quá trình nung vôi. [1]

Cách nhận biết phản ứng thu nhiệt qua biến thiên enthalpy

Biến thiên enthalpy của phản ứng, kí hiệu \(\Delta_{r}H\), biểu thị nhiệt lượng phản ứng tỏa ra hoặc thu vào ở điều kiện áp suất không đổi. Phương trình hóa học có ghi trạng thái của các chất và giá trị \(\Delta_{r}H\) được gọi là phương trình nhiệt hóa học. [1]

Dấu của biến thiên enthalpy cho biết chiều trao đổi nhiệt của phản ứng: [3]

• \(\Delta_{r}H > 0\): phản ứng thu nhiệt.

• \(\Delta_{r}H < 0\): phản ứng tỏa nhiệt.

Ví dụ: Phản ứng nhiệt phân hoàn toàn Cu(OH)₂ ở điều kiện chuẩn:

\[Cu(OH)_2(s)\rightarrow CuO(s)+H_2O(l);\quad \Delta_{r}H_{298}^{\circ}=+9,0\text{ kJ}\]

Vì \(\Delta_{r}H_{298}^{\circ} > 0\), phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt; theo phương trình đã viết, khi 1 mol Cu(OH)₂ bị nhiệt phân, hệ thu vào 9,0 kJ nhiệt. [1]

Phần này chỉ sử dụng dấu của biến thiên enthalpy để nhận biết loại phản ứng. Các công thức và cách tính chi tiết được trình bày riêng trong bài biến thiên enthalpy, giúp tránh nhầm lẫn giữa nhận biết phản ứng thu nhiệt và bài toán tính nhiệt phản ứng.

Ví dụ phản ứng thu nhiệt

Trong SGK Hóa học 10 Kết nối tri thức, một ví dụ phản ứng thu nhiệt là phản ứng xảy ra khi thả viên sủi vitamin C vào nước. Nước trong cốc trở nên mát hơn do hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường. [1]

Một ví dụ khác là phản ứng phân hủy đá vôi khi nung. Trong lò nung vôi, phản ứng đốt than cung cấp nhiệt cho quá trình phân hủy \(CaCO_3\); phản ứng phân hủy đá vôi phải nhận nhiệt nên là phản ứng thu nhiệt. [1]

\[CaCO_3(s)\rightarrow CaO(s)+CO_2(g);\quad \Delta_{r}H_{298}^{\circ}>0\]

Phản ứng nhiệt phân KMnO₄ khi đun nóng cũng là một ví dụ về phản ứng cần hấp thụ nhiệt:

\[2KMnO_4(s)\rightarrow K_2MnO_4(s)+MnO_2(s)+O_2(g)\]

Như vậy, các ví dụ phản ứng thu nhiệt trong bài gồm phản ứng của viên sủi vitamin C trong nước, nhiệt phân Cu(OH)₂, phân hủy CaCO₃ và nhiệt phân KMnO₄. Phần bài tập bên dưới bổ sung thêm ví dụ nhiệt phân NaHCO₃.

Phân biệt phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt

Có thể phân biệt phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt dựa trên chiều truyền nhiệt và dấu của biến thiên enthalpy. [1]

• Với phản ứng thu nhiệt, nhiệt truyền từ môi trường vào hệ phản ứng và \(\Delta_{r}H > 0\).

• Với phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt truyền từ hệ phản ứng ra môi trường và \(\Delta_{r}H < 0\).

Ví dụ, phản ứng phân hủy CaCO₃ khi nung là phản ứng thu nhiệt, còn phản ứng đốt than hoặc củi là phản ứng tỏa nhiệt. Khi làm bài tập, dấu của \(\Delta_{r}H\) là căn cứ trực tiếp hơn so với việc suy luận chỉ từ điều kiện đun nóng.

Bài tập nhận biết phản ứng thu nhiệt

Nhận biết qua dấu của \(\Delta_{r}H\)

Cho ba phản ứng có biến thiên enthalpy lần lượt là:

A → B, \(\Delta_{r}H\) = 72 kJ
C → D, \(\Delta_{r}H\) = −105 kJ
E → F, \(\Delta_{r}H\) = 24 kJ

Xác định các phản ứng thu nhiệt.

Phân tích đề bài: Dạng bài yêu cầu nhận biết phản ứng dựa vào dấu của biến thiên enthalpy.

Kiến thức cần dùng: \(\Delta_{r}H > 0\) ứng với phản ứng thu nhiệt, còn \(\Delta_{r}H < 0\) ứng với phản ứng tỏa nhiệt.

Lời giải: Phản ứng A → B và E → F có \(\Delta_{r}H > 0\) nên là phản ứng thu nhiệt. Phản ứng C → D có \(\Delta_{r}H < 0\) nên là phản ứng tỏa nhiệt.

Đáp án: A → B và E → F.

Nhận biết qua hiện tượng thực tế

Thả một viên sủi vitamin C vào cốc nước, sau một thời gian nước trong cốc trở nên mát hơn. Phản ứng xảy ra thuộc loại thu nhiệt hay tỏa nhiệt?

Phân tích đề bài: Dữ kiện cần chú ý là nhiệt độ của môi trường xung quanh hệ phản ứng giảm.

Kiến thức cần dùng: Phản ứng thu nhiệt hấp thụ nhiệt từ môi trường vào hệ.

Lời giải: Nước trong cốc trở nên mát hơn cho thấy hệ phản ứng đã hấp thụ nhiệt từ môi trường. Vì vậy, đây là phản ứng thu nhiệt. [1]

Đáp án: Phản ứng thu nhiệt.

Vận dụng phương trình nhiệt hóa học

Cho phương trình nhiệt hóa học:

\[2NaHCO_3(s)\rightarrow Na_2CO_3(s)+CO_2(g)+H_2O(g);\quad \Delta_{r}H_{298}^{\circ}=+135,6\text{ kJ}\]

Xác định phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt.

Phân tích đề bài: Dấu của biến thiên enthalpy chuẩn đã được cho trực tiếp trong phương trình.

Lời giải: Vì \(\Delta_{r}H_{298}^{\circ} > 0\), phản ứng nhiệt phân NaHCO₃ là phản ứng thu nhiệt.

Đáp án: Phản ứng thu nhiệt.

Phản ứng thu nhiệt là phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường vào hệ và có biến thiên enthalpy \(\Delta_{r}H > 0\). Ngược lại, phản ứng tỏa nhiệt giải phóng nhiệt ra môi trường và có \(\Delta_{r}H < 0\).

Việc xác định dấu của biến thiên enthalpy và chiều truyền nhiệt giữa hệ với môi trường giúp phân biệt chính xác phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt trong phương trình nhiệt hóa học. Người học có thể tham khảo thêm chuyên đề Hóa học 10 để hệ thống kiến thức về năng lượng hóa học và các nội dung liên quan.