Định luật Hess (Hess’s law)

Nguyên lý cơ bản của định luật Hess là sự bảo toàn năng lượng. Vì enthalpy là một hàm trạng thái, nên giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ chứ không phụ thuộc vào cách hệ đạt được trạng thái đó.

Giải thích bằng ví dụ:

Hãy tưởng tượng bạn muốn đi từ chân núi (trạng thái ban đầu) lên đỉnh núi (trạng thái cuối cùng). Bạn có thể leo thẳng lên, hoặc đi theo đường vòng. Dù bạn chọn con đường nào, độ cao chênh lệch (tương đương với sự thay đổi enthalpy) giữa chân núi và đỉnh núi vẫn giữ nguyên. Ví dụ này minh họa rằng tổng thay đổi enthalpy của một quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc vào các bước trung gian.

Ứng dụng của Định luật Hess

Định luật Hess có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiệt hóa học, bao gồm:

• Tính toán enthalpy của phản ứng khó đo lường trực tiếp: Một số phản ứng diễn ra rất chậm hoặc kèm theo các phản ứng phụ, khiến việc đo lường trực tiếp sự thay đổi enthalpy trở nên khó khăn. Định luật Hess cho phép ta tính toán gián tiếp enthalpy của phản ứng bằng cách kết hợp enthalpy của các phản ứng khác có liên quan.
• Xác định enthalpy tạo thành tiêu chuẩn: Enthalpy tạo thành tiêu chuẩn ($\Delta H_f^\circ$) là sự thay đổi enthalpy khi 1 mol chất được tạo thành từ các đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn. Định luật Hess cho phép ta tính toán $\Delta H_f^\circ$ của một chất bằng cách kết hợp enthalpy của các phản ứng có chứa chất đó.
• Dự đoán tính tự diễn biến của phản ứng: Kết hợp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học, định luật Hess giúp dự đoán liệu một phản ứng có tự diễn biến hay không. Cụ thể hơn, bằng cách tính toán sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G$), ta có thể xác định được tính tự phát của phản ứng.

Ví dụ:

Muốn tính toán enthalpy của phản ứng tạo thành carbon dioxide từ carbon và oxy:

C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g) $\Delta H = ?$

Ta có thể sử dụng hai phản ứng sau:

1. C(graphite) + 1/2 O₂(g) → CO(g) $\Delta H_1$
2. CO(g) + 1/2 O₂(g) → CO₂(g) $\Delta H_2$

Theo định luật Hess, enthalpy của phản ứng tổng cộng (phản ứng tạo thành CO₂ trực tiếp từ C và O₂) bằng tổng enthalpy của hai phản ứng thành phần:

$\Delta H = \Delta H_1 + \Delta H_2$

Lưu ý khi áp dụng Định luật Hess:

• Hệ số cân bằng: Khi áp dụng định luật Hess, cần chú ý đến hệ số cân bằng của các phản ứng. Nếu cần nhân một phản ứng với một hệ số nào đó, enthalpy của phản ứng đó cũng phải được nhân với cùng hệ số đó.
• Chiều phản ứng: Nếu đảo ngược chiều của một phản ứng, dấu của enthalpy cũng phải được đảo ngược.

Kết luận

Định luật Hess là một công cụ hữu ích trong nhiệt hóa học, giúp ta tính toán và dự đoán sự thay đổi enthalpy của các phản ứng hóa học. Nó là một hệ quả của nguyên lý bảo toàn năng lượng, và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, đặc biệt trong hóa học, vật lý và kỹ thuật hóa học.

Minh họa bằng sơ đồ:

Ta có thể minh họa Định luật Hess bằng sơ đồ năng lượng. Giả sử phản ứng A → C có thể diễn ra theo hai con đường: trực tiếp (A → C) hoặc gián tiếp (A → B → C).

     ΔH       
A --------> C
  ΔH₁ / ΔH₂
      /
   v  /
    B

Theo Định luật Hess, ΔH = ΔH₁ + ΔH₂.

Hạn chế và mở rộng

Hạn chế:

Định luật Hess chỉ áp dụng cho các phản ứng diễn ra ở điều kiện áp suất không đổi (isobaric) hoặc thể tích không đổi (isochoric). Nó không áp dụng cho các quá trình không thuận nghịch.

Mối liên hệ với hàm trạng thái:

Enthalpy (H) là một hàm trạng thái, nghĩa là giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ, chứ không phụ thuộc vào cách hệ đạt đến trạng thái đó. Định luật Hess là một hệ quả trực tiếp của tính chất này của enthalpy.

So sánh với định luật Kirchhoff:

Định luật Hess liên quan đến sự thay đổi enthalpy của phản ứng ở cùng một nhiệt độ, trong khi định luật Kirchhoff cho phép ta tính toán sự thay đổi enthalpy của phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau. Nói cách khác, định luật Kirchhoff mở rộng định luật Hess bằng cách xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ lên enthalpy phản ứng.

Ví dụ cụ thể hơn

Tính enthalpy tạo thành tiêu chuẩn của CO₂(g), biết:

1. C(graphite) + O₂(g) → CO₂(g) ΔH = -393.5 kJ/mol
2. C(graphite) + 1/2 O₂(g) → CO(g) ΔH = -110.5 kJ/mol
3. CO(g) + 1/2 O₂(g) → CO₂(g) ΔH = -283.0 kJ/mol

Nhận thấy phản ứng (1) chính là phản ứng tạo thành CO₂ từ các đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn. Vậy, enthalpy tạo thành tiêu chuẩn của CO₂(g) là -393.5 kJ/mol. Ta cũng có thể tính toán bằng cách cộng enthalpy của phản ứng (2) và (3): -110.5 kJ/mol + (-283.0 kJ/mol) = -393.5 kJ/mol, kết quả phù hợp với định luật Hess. Điều này minh họa cách sử dụng định luật Hess để xác định enthalpy của một phản ứng mà không cần đo trực tiếp.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Physical chemistry. Oxford University Press.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General chemistry: Principles and modern applications. Pearson.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The molecular nature of matter and change. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài việc tính toán enthalpy của phản ứng, Định luật Hess còn có ứng dụng nào khác trong thực tế?

Trả lời: Định luật Hess còn được ứng dụng trong việc:

• Xác định năng lượng liên kết: Bằng cách sử dụng enthalpy của các phản ứng phân ly liên kết, ta có thể tính toán năng lượng liên kết trung bình của các liên kết hóa học.
• Nghiên cứu sự ổn định của các hợp chất: Sự thay đổi enthalpy của phản ứng hình thành một hợp chất từ các nguyên tố thành phần có thể cho ta biết về tính ổn định nhiệt động của hợp chất đó.
• Thiết kế các quá trình công nghiệp: Trong công nghiệp hóa chất, Định luật Hess được sử dụng để tối ưu hóa các quá trình sản xuất, ví dụ như xác định lượng nhiệt cần cung cấp hoặc tỏa ra trong một phản ứng.

Điều gì xảy ra nếu các phản ứng được sử dụng để áp dụng Định luật Hess không diễn ra ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất?

Trả lời: Nếu các phản ứng không diễn ra ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, ta cần sử dụng Định luật Kirchhoff để hiệu chỉnh enthalpy của các phản ứng về cùng một điều kiện trước khi áp dụng Định luật Hess.

Có thể sử dụng Định luật Hess để tính toán entropy hay năng lượng Gibbs tự do của phản ứng không?

Trả lời: Không. Định luật Hess chỉ áp dụng cho enthalpy, một hàm trạng thái. Entropy (S) và năng lượng Gibbs tự do (G) cũng là hàm trạng thái, nhưng chúng không tuân theo một định luật tương tự như Định luật Hess. Tuy nhiên, nếu biết sự thay đổi enthalpy và entropy của phản ứng, ta có thể tính toán sự thay đổi năng lượng Gibbs tự do theo công thức: ΔG = ΔH – TΔS.

Làm thế nào để xác định con đường phản ứng phù hợp để áp dụng Định luật Hess khi có nhiều phản ứng trung gian có thể xảy ra?

Trả lời: Cần chọn các phản ứng trung gian sao cho khi cộng các phản ứng này lại, ta thu được phản ứng mong muốn. Các chất trung gian xuất hiện ở cả vế trái và vế phải của phương trình phản ứng tổng hợp sẽ bị triệt tiêu. Quá trình này đòi hỏi sự phân tích và sắp xếp các phản ứng một cách khéo léo.

Giới hạn của Định luật Hess là gì? Khi nào định luật này không áp dụng được?

Trả lời: Định luật Hess chỉ áp dụng cho các quá trình diễn ra ở điều kiện áp suất không đổi hoặc thể tích không đổi. Nó không áp dụng cho các quá trình không thuận nghịch. Ngoài ra, định luật này giả định rằng các chất tham gia phản ứng đều ở trạng thái xác định rõ ràng. Trong một số trường hợp phức tạp, việc xác định trạng thái chính xác của các chất có thể gặp khó khăn, dẫn đến sai số trong tính toán.