Enthalpy: chu trình, nhiệt tạo thành và so sánh nhiên liệu
Chuyên đề Hóa học: enthalpy ở áp suất không đổi, dấu của biến thiên enthalpy, nhiệt tạo thành chuẩn và chu trình Hess, ghép phương trình, năng lượng liên…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC 10 – 12
NHIỆT HÓA HỌC · ENTHALPY
Enthalpy:
chu trình,
nhiệt tạo thành
và so sánh nhiên liệu
Con số r H chỉ trả lời một câu hỏi : nhiệt trao đổi với môi trường ở áp suất không đổi. Chuyên đề này dạy em đọc dấu của nó, tính nó bằng ba con đường (nhiệt tạo thành, ghép phương trình, năng lượng liên kết) và dùng nó để so sánh nhiên liệu theo mol, theo gam, theo lít mà không bị đánh lừa.
- 1. Đọc giản đồ năng lượng: dấu của r H , Ea, xúc tác
- 2. Chu trình Hess: sản phẩm trừ chất đầu, đi vòng qua đơn chất
- 3. Nhiên liệu: kJ/mol, kJ/g, kJ/L và CO 2 trên mỗi MJ
0 kJ/mol
nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bền nhất
3 phòng lab
giản đồ, chu trình Hess, nhiên liệu
8 bí kíp
mỗi bí kíp có lí do và điểm gãy
01
Khái niệm lõi · Enthalpy và dấu của biến thiên enthalpy
Enthalpy chỉ đo một thứ: nhiệt trao đổi ở áp suất không đổi
Phản ứng hóa học luôn kèm theo trao đổi năng lượng với môi trường, thường dưới dạng nhiệt. Với phản ứng ở áp suất không đổi (cốc hở, bình chịu áp suất khí quyển), nhiệt trao đổi ấy chính là biến thiên enthalpy r H , đo bằng kJ cho mỗi mol phản ứng như phương trình đã viết . Cả chuyên đề xoay quanh ba câu hỏi: dấu của nó nói gì, tính nó bằng đường nào, và nó không nói gì.
Định nghĩa
Biến thiên enthalpy
Enthalpy H là hàm trạng thái : giá trị chỉ phụ thuộc trạng thái hiện tại của hệ, không phụ thuộc cách hệ đi tới đó. r H = H(sản phẩm) - H(chất đầu). Quy ước dấu: hệ tỏa nhiệt ra môi trường thì r H nhỏ hơn 0; hệ thu nhiệt từ môi trường thì r H lớn hơn 0.
Định nghĩa
Trạng thái chuẩn và dấu
Điều kiện chuẩn: áp suất 1 bar, dung dịch có nồng độ 1 mol/L, nhiệt độ thường chọn 298 K (25 độ C). Mỗi chất ở trạng thái chuẩn là dạng bền nhất của nó ở điều kiện đó. Vòng tròn nhỏ trên chữ H báo rằng số liệu ứng với điều kiện chuẩn, ví dụ r H .
Khung tư duy: năm bước từ phương trình đến kết luận
1 · VIẾT ĐÚNG PHƯƠNG TRÌNH Ghi hệ số và trạng thái (s, l, g, aq). r H gắn với phương trình cụ thể đó.
2 · ĐỌC DẤU r H nhỏ hơn 0: tỏa nhiệt, môi trường nóng lên. Lớn hơn 0: thu nhiệt, môi trường lạnh đi.
3 · CHỌN ĐƯỜNG TÍNH Có bảng nhiệt tạo thành: sản phẩm trừ chất đầu. Có phản ứng liên quan: ghép phương trình (Hess). Chỉ có liên kết: ước lượng phá trừ tạo.
4 · ĐỔI ĐƠN VỊ ĐÚNG MỤC ĐÍCH kJ cho mỗi mol phản ứng. Muốn so nhiên liệu thì đổi sang kJ/g hoặc kJ/L và kèm lượng CO 2 sinh ra.
5 · GIỚI HẠN KẾT LUẬN r H không cho biết phản ứng có tự xảy ra hay xảy ra nhanh hay chậm.
Phương trình nhiệt hóa học
Số kJ đi kèm một phương trình
CH 4 (g) + 2 O 2 (g) → CO 2 (g) + 2 H 2 O(l), r H = -890,5 kJ. Nếu sản phẩm là hơi nước H 2 O(g) thì đó là một phản ứng khác với r H = -802,5 kJ. Hệ số và trạng thái là một phần của dữ kiện.
Nhiệt tạo thành chuẩn
f H : mốc của mọi phép tính
Biến thiên enthalpy khi tạo 1 mol chất từ các đơn chất bền nhất ở điều kiện chuẩn. Với đơn chất bền nhất, f H = 0 theo định nghĩa. Ví dụ f H (H 2 O(l)) = -285,8 kJ/mol.
Định luật Hess
Đi đường nào cũng cùng tổng
r H chỉ phụ thuộc chất đầu và sản phẩm. Hệ quả: đảo phương trình thì đổi dấu ; nhân hệ số thì nhân r H ; cộng phương trình thì cộng r H .
Bảng đối chiếu: các loại biến thiên enthalpy hay gặp
Đại lượng
Ứng với phản ứng nào
Ví dụ với số liệu của bài
r H biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng
Phản ứng bất kì, như phương trình đã viết
2 NH 3 (g) → N 2 (g) + 3 H 2 (g): +91,8 kJ
f H nhiệt tạo thành chuẩn
Tạo 1 mol chất từ đơn chất bền nhất
f H (NH 3 (g)) = -45,9 kJ/mol
c H nhiệt đốt cháy chuẩn
Đốt cháy hoàn toàn 1 mol chất bằng oxygen
c H (CH 4 (g)) = -890,5 kJ/mol (tính từ f H ở bài này)
sol H nhiệt hòa tan
Hòa tan 1 mol chất vào nước
NH 4 NO 3 : +25,7 kJ/mol; CaCl 2 : -82,8 kJ/mol (khoảng)
Vuốt ngang để xem toàn bộ bảng.
Bí kíp 1 Đọc dấu theo chiều đi của nhiệt
Quy tắc. r H nhỏ hơn 0 là nhiệt đi ra khỏi hệ (môi trường nóng lên); r H lớn hơn 0 là nhiệt đi vào hệ (môi trường lạnh đi).
Vì sao đúng. r H = H(sản phẩm) - H(chất đầu) là nhiệt mà hệ nhận được ở áp suất không đổi. Sản phẩm có enthalpy thấp hơn thì phần chênh phải được trả ra môi trường; sản phẩm có enthalpy cao hơn thì hệ phải lấy thêm nhiệt từ môi trường.
Khi nào gãy. Dấu chỉ nói về hướng đi của nhiệt, không nói phản ứng tự xảy ra hay xảy ra nhanh. Đảo phương trình thì đảo dấu. Dấu thuộc về phương trình đã viết, không thuộc về một chất riêng lẻ.
02
Phòng thí nghiệm 1 · Giản đồ năng lượng
Kéo biến thiên enthalpy và năng lượng hoạt hóa, xem nhiệt đi đâu và xúc tác làm gì
Giản đồ vẽ enthalpy của hệ dọc theo tiến trình một phản ứng một bước. Hiệu của mức sản phẩm và mức chất đầu là r H . Đỉnh của đường cong là trạng thái chuyển tiếp : độ cao của nó so với chất đầu là năng lượng hoạt hóa Ea của chiều thuận, so với sản phẩm là Ea của chiều nghịch.
r H = E a (thuận) - E a (nghịch)
Phòng lab 1: giản đồ năng lượng của một phản ứng một bước TƯƠNG TÁC
Quả cầu đỏ phải leo qua đỉnh mới tới mức sản phẩm. Nhiệt kế bên phải là nhiệt độ của môi trường: tỏa nhiệt thì thủy ngân dâng, thu nhiệt thì thủy ngân hạ. Đường vàng là con đường có xúc tác.
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Gợi ý nhanh:
Biến thiên enthalpy r H : -
Ea chiều thuận: -
r H (kJ/mol)
Ea thuận (kJ/mol)
Ea nghịch (kJ/mol)
Loại phản ứng
Ea thuận nếu có xúc tác
Ea nghịch nếu có xúc tác
Mô hình: phản ứng một bước, hình dạng đường cong chỉ để minh họa (độ cao các mức là số đo thật, độ rộng của đỉnh thì không). Xúc tác giả định hạ đỉnh khoảng 40% nhưng không xuống dưới mức sản phẩm cộng 10 kJ/mol; mức chất đầu và sản phẩm không đổi. Ea nghịch tính bằng Ea thuận trừ r H .
Bí kíp 2 Xúc tác hạ đỉnh, không dời hai mức
Quy tắc. Ea nghịch = Ea thuận - r H . Xúc tác hạ cả hai Ea cùng một lượng và không đổi r H .
Vì sao đúng. Enthalpy là hàm trạng thái: mức chất đầu và mức sản phẩm không đổi thì hiệu của chúng không đổi. Xúc tác chỉ mở một con đường có trạng thái chuyển tiếp thấp hơn nên đỉnh hạ xuống, và hạ cùng một đoạn tính từ cả hai phía.
Khi nào gãy. Phản ứng nhiều bước có nhiều đỉnh, phải xét từng đỉnh. Xúc tác cũng không làm phản ứng tỏa nhiều nhiệt hơn và không làm một phản ứng bị cấm về mặt nhiệt trở nên có lợi.
Điều giản đồ nói thẳng thắn
Kéo r H thật âm nhưng giữ Ea cao: phản ứng rất tỏa nhiệt mà vẫn cần mồi (hỗn hợp methane và oxygen ở nhiệt độ phòng không tự cháy). Dấu của r H và độ cao của đỉnh là hai thông tin độc lập : cái thứ nhất nói về chênh lệch giữa hai mức, cái thứ hai nói về chướng ngại ở giữa.
03
Chu trình Hess · Ba con đường tính biến thiên enthalpy
Mọi con đường đi qua mức đơn chất đều cho cùng một đáp số
Vì enthalpy là hàm trạng thái, ta được phép bỏ đường thật và chọn đường dễ nhất: đi từ chất đầu về đơn chất bền nhất (mức 0 của nhiệt tạo thành), rồi từ đơn chất dựng lên sản phẩm. Đường này luôn tồn tại vì mọi hợp chất đều tạo được từ đơn chất.
1 · ĐƯỜNG TRỰC TIẾP Chất đầu → sản phẩm trong một bước, enthalpy thay đổi r H (đại lượng cần tìm).
2 · PHÁ VỀ ĐƠN CHẤT Mỗi chất đầu bị "tạo thành ngược": cộng - f H nhân hệ số (đổi dấu vì đi ngược chiều tạo thành).
3 · DỰNG SẢN PHẨM Từ đơn chất tạo từng sản phẩm: cộng f H nhân hệ số.
4 · SO SÁNH Hai đường cùng đầu cùng cuối nên bằng nhau: r H = (tổng f H sản phẩm) - (tổng f H chất đầu).
r H = tổng [ hệ số · f H ] (sản phẩm) - tổng [ hệ số · f H ] (chất đầu)
Ghép phương trình
Cộng các phương trình đã biết
Nếu phương trình đích bằng tổng của các phương trình cho sẵn (sau khi đảo và nhân hệ số), thì r H của nó bằng tổng các r H tương ứng. Cách này cứu em khi phản ứng đích không đo trực tiếp được, chẳng hạn đốt graphite chỉ tới CO.
Năng lượng liên kết
Đường thứ ba, thô hơn
Phản ứng ở pha khí là phá một số liên kết (thu năng lượng) rồi tạo liên kết mới (tỏa năng lượng): r H gần bằng (tổng năng lượng liên kết bị phá) - (tổng năng lượng liên kết được tạo). Vì dùng giá trị trung bình, kết quả chỉ là ước lượng .
Phòng lab 2: chu trình Hess, ghép phương trình, năng lượng liên kết TƯƠNG TÁC
Phần 1: hai đường đi từ chất đầu đến sản phẩm
Ba thanh ngang là ba mức enthalpy (chất đầu, đơn chất bền nhất, sản phẩm). Đường vàng đi thẳng; đường xanh lơ đi qua mức đơn chất. Bấm Chạy để hai quả cầu cùng xuất phát và xem hai tổng gặp nhau.
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Phản ứng:
Nước ở sản phẩm:
Tiến trình:
Tổng sản phẩm (kJ)
Tổng chất đầu (kJ)
r H (kJ)
Đường 2: hai chặng cộng lại (kJ)
Loại
Số nguyên tử hai vế
Số liệu: nhiệt tạo thành chuẩn ở 298 K (làm tròn đến 0,1 kJ/mol), O 2 , N 2 , H 2 và graphite bằng 0. Mức "đơn chất" là các đơn chất bền nhất có cùng số nguyên tử với chất đầu. Phản ứng chưa nói đến tốc độ hay chiều tự diễn biến.
Phần 2: ghép phương trình
Chọn một phản ứng đích, rồi đặt hệ số cho các phương trình cho sẵn (đảo chiều, nhân đôi, nhân một nửa) sao cho các chất thừa triệt tiêu. Trang giữ tổng r H đang chạy, kiểm tra cân bằng nguyên tử và báo khi khớp.
Phản ứng đích:
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Tổng r H đang chạy (kJ)
So với đích
Cân bằng nguyên tử
Chất thừa chưa triệt tiêu
Giá trị tra từ f H (kJ)
Hệ số đã chọn
Các r H cho sẵn được tính từ cùng bảng nhiệt tạo thành, nên đáp số luôn trùng với cách dùng công thức sản phẩm trừ chất đầu: đó là nội dung của định luật Hess.
Phần 3: ước lượng bằng năng lượng liên kết
Cùng năm phản ứng nhưng ở pha khí (nước, hydrazine và ethanol đều ở thể khí). Thanh trên là tổng năng lượng để phá mọi liên kết ở chất đầu, thanh dưới là tổng năng lượng tỏa ra khi tạo mọi liên kết ở sản phẩm. Thước dưới đặt ước lượng cạnh giá trị tính từ nhiệt tạo thành.
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Phản ứng (pha khí):
Tổng phá (kJ)
Tổng tạo (kJ)
Ước lượng: phá - tạo (kJ)
Từ f H , pha khí (kJ)
Độ lệch (kJ)
Độ lệch (%)
Năng lượng liên kết trung bình (kJ/mol): C-H 413, C-C 347, C=C 614, C-O 358, O=O 495, O-H 467, H-H 432, N-H 391, N-N 160, liên kết ba N-N 941, C=O trong CO 2 799. Các bảng khác nhau vài kJ; em dùng một bảng cho cả bài.
Bí kíp 3 Sản phẩm trừ chất đầu, nhớ bằng đường vòng qua đơn chất
Quy tắc. r H = tổng (hệ số · f H ) của sản phẩm - tổng (hệ số · f H ) của chất đầu. Đơn chất bền nhất không đóng góp vì f H của chúng bằng 0.
Vì sao đúng. Đi từ chất đầu về đơn chất là đi ngược chiều tạo thành nên cộng - f H ; đi từ đơn chất đến sản phẩm cộng f H . Hai chặng này cùng đầu cùng cuối với đường trực tiếp, mà hàm trạng thái không phụ thuộc đường đi.
Khi nào gãy. Quên nhân hệ số cân bằng, lẫn trạng thái (nước lỏng khác hơi nước 44,0 kJ/mol) hoặc dùng nhầm dạng không bền của đơn chất (ozone, kim cương, brom khí) thì kết quả sai dù công thức đúng.
Bí kíp 4 Ghép phương trình: đảo đổi dấu, nhân thì nhân, cộng thì cộng
Quy tắc. Chọn hệ số cho từng phương trình cho sẵn sao cho chất nào không có trong phương trình đích bị triệt tiêu . Hệ số âm là đảo chiều. Tổng r H = tổng (hệ số · r H cho sẵn).
Vì sao đúng. Mỗi phương trình nhân với hệ số là cùng một quá trình lặp lại hoặc đi ngược; hàm trạng thái cộng được theo từng chặng. Kiểm tra cuối cùng luôn là hai thứ: các chất thừa đã hết chưa, và số nguyên tử hai vế có bằng nhau không.
Khi nào gãy. Trạng thái vật chất phải khớp khi triệt tiêu: H 2 O(g) chỉ triệt tiêu với H 2 O(g), không triệt tiêu với H 2 O(l). Nếu cần chuyển, phải thêm phương trình ngưng tụ hoặc hóa hơi.
Bí kíp 5 Năng lượng liên kết: phá trừ tạo, chỉ pha khí, chỉ ước lượng
Quy tắc. r H gần bằng (tổng năng lượng liên kết bị phá) - (tổng năng lượng liên kết được tạo). Phá thu năng lượng (dấu dương), tạo tỏa năng lượng (dấu âm).
Vì sao đúng. Cắt một liên kết cần cấp năng lượng; hình thành liên kết giải phóng đúng lượng đó. Phản ứng tỏa nhiệt khi các liên kết mới bền hơn tổng các liên kết cũ.
Khi nào gãy. Giá trị năng lượng liên kết là trung bình nên độ lệch có thể từ vài đến vài chục kJ (xem thanh lệch ở Lab 2). Với chất lỏng hoặc rắn phải cộng thêm nhiệt hóa hơi hoặc nhiệt thăng hoa; phân tử có liên kết cộng hưởng hoặc nhiều vòng thì ước lượng càng kém.
Bẫy trạng thái của nước
Cùng phản ứng cháy methane nhưng nước ở hai trạng thái cho r H chênh nhau 88,0 kJ (hai mol nước, mỗi mol 44,0 kJ nhiệt hóa hơi ở 25 độ C). "Nhiệt trị cao" của nhiên liệu tính với nước lỏng; "nhiệt trị thấp" tính với hơi nước. Luôn đọc nhãn (l), (g) trước khi trừ.
04
Tự dự đoán trước khi xem đáp án
Bốn tình huống nhanh
Một phản ứng một bước có r H = +40 kJ/mol và Ea chiều thuận bằng 100 kJ/mol. Ea chiều nghịch bằng bao nhiêu?
Biết f H (NH 3 (g)) = -45,9 kJ/mol. Phản ứng N 2 (g) + 3 H 2 (g) → 2 NH 3 (g) có r H bằng bao nhiêu?