Nhiệt phản ứng (Heat of reaction)

Đơn vị: Nhiệt phản ứng thường được đo bằng đơn vị Joule (J) hoặc kiloJoule (kJ) trên mol (mol⁻¹) của chất phản ứng. Đôi khi cũng sử dụng đơn vị calo (cal) hoặc kilocalo (kcal). Lưu ý rằng 1 cal = 4.184 J và 1 kcal = 4.184 kJ. Việc biểu diễn theo mol⁻¹ cho phép so sánh nhiệt phản ứng giữa các phản ứng khác nhau một cách chuẩn hóa.

Dấu của $\Delta H$

Dấu của $\Delta H$ cho biết phản ứng là tỏa nhiệt hay thu nhiệt:

• $\Delta H > 0$ (Dương): Phản ứng thu nhiệt. Năng lượng được hấp thụ từ môi trường xung quanh, làm cho môi trường lạnh đi. Ví dụ: quá trình tan chảy của đá.
• $\Delta H < 0$ (Âm): Phản ứng tỏa nhiệt. Năng lượng được giải phóng ra môi trường xung quanh, làm cho môi trường nóng lên. Ví dụ: quá trình đốt cháy.

Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt phản ứng

Nhiệt phản ứng phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

• Bản chất của chất phản ứng và sản phẩm: Mỗi phản ứng hóa học có một giá trị $\Delta H$ riêng biệt, phản ánh sự khác biệt về năng lượng liên kết giữa các chất phản ứng và sản phẩm.
• Nhiệt độ: Nhiệt phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ mà phản ứng xảy ra. Sự phụ thuộc này thường được biểu diễn bằng định luật Kirchhoff.
• Trạng thái vật lý của chất phản ứng và sản phẩm: Ví dụ, nhiệt phản ứng của quá trình đốt cháy hydro tạo thành nước ở dạng lỏng sẽ khác với nhiệt phản ứng tạo thành nước ở dạng hơi (do cần năng lượng để hóa hơi nước). Các trạng thái vật lý cần được ghi rõ (s: rắn, l: lỏng, g: khí, aq: dung dịch nước).
• Áp suất: Đối với phản ứng liên quan đến khí, áp suất có thể ảnh hưởng đến $\Delta H$. Tuy nhiên, ảnh hưởng này thường không đáng kể ở áp suất gần áp suất khí quyển. Đối với hầu hết các phản ứng trong dung dịch, ảnh hưởng của áp suất là không đáng kể.

Phương trình nhiệt hóa học

Phương trình nhiệt hóa học là phương trình hóa học có ghi rõ giá trị $\Delta H$ của phản ứng, kèm theo điều kiện nhiệt độ và trạng thái vật lý của các chất. Ví dụ:

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) $\Delta H$ = -572 kJ/mol (ở 298K)

Phương trình này cho biết khi 2 mol khí hydro phản ứng với 1 mol khí oxy tạo thành 2 mol nước lỏng, 572 kJ nhiệt được tỏa ra ở nhiệt độ 298K (25°C). Điều quan trọng là phải ghi rõ trạng thái của nước (lỏng trong trường hợp này), vì $\Delta H$ sẽ khác nếu nước được tạo thành ở trạng thái khí.

Định luật Hess

Định luật Hess cho phép tính toán $\Delta H$ của một phản ứng bằng cách cộng đại số các $\Delta H$ của các phản ứng trung gian. Nguyên lý này dựa trên thực tế $\Delta H$ là một hàm trạng thái, nghĩa là giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ, không phụ thuộc vào con đường phản ứng.

Ví dụ:

Muốn tính $\Delta H$ cho phản ứng A → C, ta có thể sử dụng hai phản ứng trung gian:

A → B $\Delta H_1$
B → C $\Delta H_2$

Khi đó, $\Delta H$ cho phản ứng A → C sẽ là:

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

Ứng dụng của nhiệt phản ứng

Việc xác định nhiệt phản ứng có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế:

• Dự đoán tính khả thi của phản ứng: Biết $\Delta H$ có thể giúp dự đoán liệu một phản ứng có tự xảy ra hay không (phản ứng tỏa nhiệt có xu hướng tự xảy ra).
• Thiết kế và tối ưu hóa các quy trình công nghiệp: Hiểu biết về nhiệt phản ứng rất quan trọng trong việc thiết kế các lò phản ứng, tối ưu hóa các điều kiện phản ứng (nhiệt độ, áp suất) để đạt hiệu suất cao nhất và tiết kiệm năng lượng.
• Tính toán năng lượng cần thiết hoặc sinh ra trong các quá trình hóa học: Ví dụ, tính toán lượng nhiệt cần thiết để nung chảy một lượng kim loại nhất định.
• Nghiên cứu cơ chế phản ứng: $\Delta H$ cung cấp thông tin về năng lượng của các liên kết hóa học và các quá trình năng lượng diễn ra trong phản ứng.

Quan hệ giữa $\Delta H$ và $\Delta U$

Nhiệt phản ứng ($\Delta H$) liên quan đến sự thay đổi năng lượng nội tại ($\Delta U$) của hệ thông qua công thức sau:

$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

Ở áp suất không đổi (điều kiện thường áp dụng cho nhiệt phản ứng), công thức trên trở thành:

$\Delta H = \Delta U + P\Delta V$

Đối với phản ứng diễn ra trong dung dịch, sự thay đổi thể tích thường không đáng kể, nên $\Delta (PV) \approx 0$. Do đó, trong trường hợp này, $\Delta H \approx \Delta U$.

Đối với phản ứng involving khí, $\Delta (PV)$ có thể được tính bằng cách sử dụng phương trình khí lý tưởng:

$PV = nRT$

Trong đó:

• $P$ là áp suất
• $V$ là thể tích
• $n$ là số mol khí
• $R$ là hằng số khí
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối

Vậy, $\Delta (PV) = \Delta (nRT) = \Delta nRT$ (với R và T là hằng số).

$\Delta n$ là sự thay đổi số mol khí trong phản ứng (số mol khí sản phẩm – số mol khí chất tham gia).

Do đó, ta có:

$\Delta H = \Delta U + \Delta nRT$

Nhiệt hình thành tiêu chuẩn (Standard Enthalpy of Formation, $\Delta H_f^\circ$)

Nhiệt hình thành tiêu chuẩn của một hợp chất là sự thay đổi enthalpy khi 1 mol hợp chất đó được tạo thành từ các nguyên tố thành phần ở trạng thái tiêu chuẩn (thường là 298K và 1 atm). Nhiệt hình thành tiêu chuẩn của các nguyên tố ở dạng bền vững nhất được quy ước bằng 0.

Sử dụng $\Delta H_f^\circ$ để tính $\Delta H^\circ$ của phản ứng

$\Delta H^\circ$ của một phản ứng có thể được tính toán từ nhiệt hình thành tiêu chuẩn của các chất tham gia và sản phẩm theo công thức sau:

$\Delta H^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{sản phẩm}) – \sum \Delta H_f^\circ(\text{chất tham gia})$

Ví dụ:

Tính $\Delta H^\circ$ cho phản ứng đốt cháy methane (CH₄):

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

Biết:

$\Delta H_f^\circ$(CH₄) = -74.8 kJ/mol
$\Delta H_f^\circ$(O₂) = 0 kJ/mol (vì O₂ là nguyên tố ở dạng bền vững nhất)
$\Delta H_f^\circ$(CO₂) = -393.5 kJ/mol
$\Delta H_f^\circ$(H₂O(l)) = -285.8 kJ/mol

$\Delta H^\circ = [\Delta H_f^\circ$(CO₂) + 2$\Delta H_f^\circ$(H₂O)] – [$\Delta H_f^\circ$(CH₄) + 2$\Delta H_f^\circ$(O₂)]
$\Delta H^\circ = [-393.5 + 2(-285.8)] – [-74.8 + 2(0)]
$\Delta H^\circ = -890.3 kJ/mol$

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa nhiệt phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn (ΔH°) và nhiệt phản ứng ở điều kiện không tiêu chuẩn (ΔH)?

Trả lời: Nhiệt phản ứng tiêu chuẩn (ΔH°) được đo ở điều kiện tiêu chuẩn, thường là 298K (25°C) và 1 atm. Nhiệt phản ứng ở điều kiện không tiêu chuẩn (ΔH) được đo ở bất kỳ điều kiện nhiệt độ và áp suất nào khác. Giá trị của ΔH có thể thay đổi theo nhiệt độ và áp suất, trong khi ΔH° là một hằng số ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn cho một phản ứng cụ thể.

Ngoài việc sử dụng nhiệt hình thành tiêu chuẩn, còn phương pháp nào khác để xác định nhiệt phản ứng của một phản ứng?

Trả lời: Có thể xác định nhiệt phản ứng bằng thực nghiệm thông qua calorimetry. Một calorimeter là một thiết bị được sử dụng để đo lượng nhiệt tỏa ra hoặc hấp thụ trong một phản ứng hóa học. Bằng cách đo sự thay đổi nhiệt độ của môi trường xung quanh phản ứng, ta có thể tính toán nhiệt phản ứng.

Nếu ΔH của một phản ứng thuận là -100 kJ/mol, thì ΔH của phản ứng nghịch là bao nhiêu?

Trả lời: ΔH của phản ứng nghịch sẽ là +100 kJ/mol. Nói cách khác, nếu phản ứng thuận tỏa nhiệt 100 kJ/mol thì phản ứng nghịch sẽ thu nhiệt 100 kJ/mol.

Tại sao ΔH thường được sử dụng nhiều hơn ΔU trong hóa học?

Trả lời: Trong thực tế, hầu hết các phản ứng hóa học diễn ra ở áp suất không đổi (ví dụ, trong bình hở). ΔH được định nghĩa ở áp suất không đổi, nên nó phù hợp hơn để mô tả các phản ứng này. Việc đo ΔU yêu cầu thể tích không đổi, điều này khó thực hiện hơn trong nhiều trường hợp.

Ảnh hưởng của xúc tác lên nhiệt phản ứng là gì?

Trả lời: Xúc tác không ảnh hưởng đến nhiệt phản ứng (ΔH). Xúc tác làm thay đổi tốc độ phản ứng bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa, nhưng nó không làm thay đổi năng lượng của chất phản ứng và sản phẩm, do đó không ảnh hưởng đến ΔH. Xúc tác chỉ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, chứ không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng hoặc ΔH.