Bài 17. Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học
Tìm hiểu về năng lượng hóa học, biến thiên enthalpy và các loại phản ứng tỏa nhiệt, thu nhiệt.
Lý thuyết Biến thiên enthalpy
1. Năng lượng hóa học
a) Định nghĩa
Năng lượng hóa học là năng lượng được dự trữ trong các liên kết hóa học của phân tử.
b) Đặc điểm
- Mỗi chất có một năng lượng hóa học nhất định
- Năng lượng hóa học có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác
- Trong phản ứng hóa học, năng lượng hóa học được giải phóng hoặc hấp thụ
c) Sự chuyển hóa năng lượng
- Năng lượng hóa học → Nhiệt năng: Đốt cháy nhiên liệu
- Năng lượng hóa học → Điện năng: Pin, ắc quy
- Năng lượng hóa học → Cơ năng: Co cơ (ATP)
- Năng lượng ánh sáng → Năng lượng hóa học: Quang hợp
2. Biến thiên enthalpy
a) Định nghĩa
Biến thiên enthalpy (ΔH) là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong phản ứng hóa học ở điều kiện áp suất không đổi.
Kí hiệu: ΔH (đọc là delta H)
Đơn vị: kJ/mol hoặc kJ
b) Ý nghĩa
- ΔH < 0: Phản ứng tỏa nhiệt (năng lượng giải phóng)
- ΔH > 0: Phản ứng thu nhiệt (năng lượng hấp thụ)
- Giá trị |ΔH| càng lớn → Nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào càng nhiều
c) Cách viết phương trình nhiệt hóa học
Phản ứng tỏa nhiệt:
CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH = -890 kJ
Hoặc: CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) + 890 kJ
Phản ứng thu nhiệt:
N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g) ΔH = +180 kJ
Hoặc: N₂(g) + O₂(g) + 180 kJ → 2NO(g)
3. Phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt
a) Phản ứng tỏa nhiệt (ΔH < 0)
Đặc điểm:
- Năng lượng sản phẩm < Năng lượng chất đầu
- Giải phóng năng lượng ra môi trường
- Nhiệt độ môi trường tăng
Ví dụ:
- Đốt cháy: C + O₂ → CO₂ ΔH = -394 kJ
- Trung hòa: HCl + NaOH → NaCl + H₂O ΔH < 0
- Hô hấp: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O ΔH < 0
b) Phản ứng thu nhiệt (ΔH > 0)
Đặc điểm:
- Năng lượng sản phẩm > Năng lượng chất đầu
- Hấp thụ năng lượng từ môi trường
- Nhiệt độ môi trường giảm
Ví dụ:
- Phân hủy: CaCO₃ → CaO + CO₂ ΔH = +178 kJ
- Quang hợp: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ΔH > 0
- Hòa tan NH₄NO₃: NH₄NO₃(r) → NH₄⁺(dd) + NO₃⁻(dd) ΔH > 0
c) Biểu đồ năng lượng
Phản ứng tỏa nhiệt:
Năng lượng chất đầu ----↓---- Năng lượng sản phẩm
ΔH < 0 (mũi tên xuống)
Phản ứng thu nhiệt:
Năng lượng chất đầu ----↑---- Năng lượng sản phẩm
ΔH > 0 (mũi tên lên)
4. Ứng dụng thực tế
a) Nhiên liệu
- Than, dầu, khí đốt: Đốt cháy tỏa nhiệt → Nấu ăn, sưởi ấm, động cơ
- Hydro: Nhiên liệu sạch, tỏa nhiệt cao
- Sinh khối: Gỗ, rơm rạ, biogas
b) Thực phẩm
- Năng lượng từ thực phẩm (Calo)
- 1 g glucid: ~17 kJ
- 1 g protein: ~17 kJ
- 1 g lipid: ~38 kJ
c) Công nghiệp
- Luyện kim: Dùng phản ứng tỏa nhiệt để nấu chảy quặng
- Sản xuất xi măng: Nung đá vôi (phản ứng thu nhiệt)
- Tổng hợp hóa chất: Kiểm soát nhiệt độ phản ứng
d) Y tế
- Túi chườm nóng: Dùng phản ứng tỏa nhiệt (CaO + H₂O)
- Túi chườm lạnh: Dùng phản ứng thu nhiệt (NH₄NO₃ hòa tan)
e) Môi trường
- Đốt nhiên liệu hóa thạch → CO₂ → Hiệu ứng nhà kính
- Cần sử dụng năng lượng hiệu quả, năng lượng tái tạo
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Xác định phản ứng tỏa nhiệt, thu nhiệt
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xem dấu của ΔH: ΔH < 0 (tỏa nhiệt), ΔH > 0 (thu nhiệt)
- Phân tích loại phản ứng: Đốt cháy, trung hòa → Tỏa nhiệt; Phân hủy → Thu nhiệt
- Quan sát hiện tượng: Nóng lên → Tỏa nhiệt; Lạnh đi → Thu nhiệt
Ví dụ:
a) 2H₂ + O₂ → 2H₂O ΔH = -572 kJ
ΔH < 0 → Phản ứng tỏa nhiệt
Đây là phản ứng đốt cháy hydro
b) CaCO₃ → CaO + CO₂ ΔH = +178 kJ
ΔH > 0 → Phản ứng thu nhiệt
Đây là phản ứng phân hủy nhiệt
c) Hòa tan NaOH vào nước
Dung dịch nóng lên → Tỏa nhiệt ra môi trường
→ Phản ứng tỏa nhiệt
NaOH(r) → Na⁺(dd) + OH⁻(dd) ΔH < 0
Dạng 2: Dạng 2: Tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định số mol chất tham gia phản ứng: n = m/M hoặc n = V/22.4
- Dựa vào phương trình nhiệt hóa học, tính nhiệt lượng theo tỉ lệ
- Q = |ΔH| × n (n là số mol theo phương trình)
Ví dụ:
a) Tính nhiệt lượng khi đốt 8 g CH₄:
M(CH₄) = 12 + 4×1 = 16 g/mol
n(CH₄) = 8 / 16 = 0.5 mol
Theo phương trình: 1 mol CH₄ tỏa ra 890 kJ
→ 0.5 mol CH₄ tỏa ra: Q = 890 × 0.5 = 445 kJ
Đáp án: 445 kJ
b) Tính thể tích CH₄ cần đốt:
Để tỏa ra 4450 kJ, cần số mol CH₄:
n(CH₄) = 4450 / 890 = 5 mol
V(CH₄) = 5 × 22.4 = 112 lít (đktc)
Đáp án: 112 lít
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về năng lượng
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích yêu cầu thực tế
- Xác định phản ứng và ΔH
- Tính toán năng lượng cần thiết
- Tính lượng chất cần dùng
- Đánh giá hiệu quả, ý nghĩa
Ví dụ:
a) Nhiệt lượng khi đốt 1 kg CH₄:
m(CH₄) = 1 kg = 1000 g
M(CH₄) = 16 g/mol
n(CH₄) = 1000 / 16 = 62.5 mol
Q = 890 × 62.5 = 55,625 kJ ≈ 55,600 kJ
b) Nhiệt lượng thực tế sử dụng:
Q(thực tế) = 55,625 × 60% = 33,375 kJ
Phần còn lại (40%) thất thoát ra môi trường
c) So sánh với than đá:
Than đá (1 kg):
Q(than) = 30 kJ/g × 1000 g = 30,000 kJ
So sánh:
- CH₄: 55,625 kJ/kg
- Than: 30,000 kJ/kg
- CH₄ tỏa nhiệt gấp: 55,625 / 30,000 ≈ 1.85 lần
Ưu điểm của CH₄:
- Tỏa nhiệt cao hơn
- Cháy sạch, ít khói bụi
- Dễ kiểm soát
- Thân thiện môi trường hơn
Kết luận: CH₄ là nhiên liệu hiệu quả và sạch hơn than đá.