AP Chemistry

biến đổi vật lý

physical changes

Còn gọi: thay đổi vật lý · physical process · quá trình vật lý · biến đổi vật lí

Biến đổi vật lý là quá trình biến đổi trạng thái hoặc hình dạng của chất mà không làm thay đổi thành phần hóa học.

Trong hóa học, mọi biến đổi của chất đều thuộc một trong hai loại: biến đổi vật lý hoặc biến đổi hóa học. Biến đổi vật lý là quá trình mà một hoặc nhiều tính chất vật lý của mẫu chất — chẳng hạn hình dạng, trạng thái tồn tại, hay kích thước — thay đổi, nhưng thành phần hóa học bên trong vẫn giữ nguyên. Quá trình chuyển pha (phase change) từ nước đá tan thành nước lỏng, rồi đun sôi thành hơi nước, minh họa rõ nhất điều này: chất đó vẫn là $H_2O$ xuyên suốt cả ba trạng thái. Do đó, biến đổi vật lý không tạo ra chất mới.

Nguyên nhân sâu xa của hiện tượng này nằm ở chỗ các lực liên phân tử (intermolecular forces) bị phá vỡ hoặc hình thành lại, trong khi các liên kết nội phân tử — tức liên kết cộng hóa trị giữ các nguyên tử lại với nhau — hoàn toàn không bị ảnh hưởng. Vì vậy, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi được xếp vào nhóm tính chất vật lý: ta quan sát được chúng mà không cần thay đổi bản chất của chất đang khảo sát. Ngược lại, khi sắt tiếp xúc với không khí ẩm và dần chuyển thành oxit sắt, liên kết hóa học đã bị phá vỡ và tạo thành một chất hoàn toàn khác.

Một hệ quả quan trọng là nhiều biến đổi vật lý có tính thuận nghịch (reversible). Nhờ đó, ta có thể tách các chất trong hỗn hợp bằng những phương pháp vật lý như chưng cất, lọc, hay kết tinh mà không cần dùng đến phản ứng hóa học. Tuy nhiên, không phải mọi biến đổi vật lý đều dễ đảo ngược — ví dụ, đập vỡ một tấm kính thì không thể ghép lại nguyên vẹn như cũ, dù mảnh vỡ vẫn mang thành phần hóa học của thủy tinh ban đầu.

Trực giác: Giống như việc bạn gấp một tờ giấy thành hình con hạc — tờ giấy thay đổi hình dạng nhưng vẫn là giấy, không biến thành nhựa hay kim loại.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

khoảng 1750–1760

Cụm từ "physical change" được ghi nhận lần đầu trong tiếng Anh vào khoảng những năm 1750–1760, dùng để chỉ những biến đổi làm thay đổi hình dạng hay trạng thái của vật chất mà không tạo ra chất mới.

Khác với nhiều thuật ngữ khoa học mang tên người phát hiện, tên gọi này không gắn với một cá nhân nào. Từ điển chỉ ghi lại rằng lối nói ghép "physical change" bắt đầu xuất hiện trong tiếng Anh vào khoảng giữa thế kỷ 18. Đây là giai đoạn ngôn ngữ khoa học châu Âu dần định hình, và điều đáng chú ý là cụm từ được lắp từ hai từ thông dụng chứ không phải từ gốc Latin hay Hy Lạp. Vì vậy, ý nghĩa của nó không nằm trong bản thân con chữ mà nằm ở thế đối lập với biến đổi hóa học (chemical change) — một sự phân đôi mà hóa học hiện đại vẫn giữ nguyên cho tới nay.

Hay hiểu sai

Đông đặc là biến đổi vật lý, không phải phản ứng hóa học.

Dấu của ΔS° phải suy từ độ phân tán của các hạt, không phải từ dấu của ΔH°.

Đọc sai chiều mũi tên trong sơ đồ là lỗi mất điểm phổ biến nhất.

Không phải cứ là biến đổi vật lý thì entropy luôn tăng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Kali nguyên chất có nhiệt độ nóng chảy

63{,}5\ ^\circ\text{C}

và nhiệt độ sôi

759\ ^\circ\text{C}

ở áp suất

1\ \text{atm}

; enthalpy hóa hơi tiêu chuẩn của nó là

\Delta H^\circ_{vap} = 76{,}9\ \text{kJ·mol}^{-1}

. Một đề thi cho ba sơ đồ hạt của cùng một mẫu kali: sơ đồ I gồm các nguyên tử xếp khít nhau theo mạng đều đặn, sơ đồ II gồm các nguyên tử vẫn tiếp xúc nhau nhưng sắp xếp lộn xộn, sơ đồ III gồm các nguyên tử ở rất xa nhau và phân bố ngẫu nhiên khắp bình chứa. Toàn bộ quá trình diễn ra ở

1\ \text{atm}

và không có chất nào khác tham gia.

aXác định trạng thái ứng với mỗi sơ đồ I, II, III và gọi tên quá trình chuyển từ II sang III cùng dấu của $\Delta S^\circ$ .
bGọi tên quá trình chuyển từ III sang I và cho biết dấu của $\Delta S^\circ$ , có giải thích ở mức hạt.
cTính $\Delta S^\circ$ của quá trình ở ý (a) tại nhiệt độ sôi và dùng kết quả để kiểm chứng dấu đã dự đoán.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Biến đổi vật lý và hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướctính chất vật lí

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phản ứng hóa học (chemical reactions)chemical reactions

Khác nhau ở đâuBiến đổi vật lý giữ nguyên bản chất hóa học của chất; chất ban đầu và chất sau biến đổi là một. Phản ứng hóa học phá vỡ liên kết cũ, tạo liên kết mới, sinh ra chất có thành phần và tính chất khác hẳn chất ban đầu.

Hay nhầm khiĐề cho một hiện tượng (tan đường trong nước, đốt cháy nến, đinh sắt gỉ) và hỏi đó là biến đổi vật lý hay phản ứng hóa học.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 58, 83–84.

1Bước 1: Trước hết hãy đọc sơ đồ hạt theo hai dấu hiệu: khoảng cách giữa các hạt và mức độ trật tự. Sơ đồ I có các nguyên tử vừa khít nhau vừa xếp thành mạng đều đặn nên đó là thể rắn; sơ đồ II vẫn khít nhưng mất trật tự, đúng với thể lỏng. Sơ đồ III có các hạt cách nhau rất xa và phân bố ngẫu nhiên, tức là thể khí. Do đó thứ tự I → II → III chính là thứ tự tăng dần độ mất trật tự của mẫu kali.

2Bước 2: Quá trình II → III là chuyển từ lỏng sang khí, tức sự hóa hơi (vaporization). Khi đó mỗi nguyên tử được giải phóng khỏi lực hút của các nguyên tử lân cận và có thể chiếm một thể tích lớn hơn hàng trăm lần, nên số cách sắp xếp vi mô của hệ tăng vọt. Vì vậy

\Delta S^\circ > 0

cho quá trình này. Đây là dấu hiệu quen thuộc mà đề luôn kiểm tra: cứ đi về phía thể khí thì entropy tăng.

3Bước 3: Quá trình III → I đi thẳng từ khí sang rắn mà không qua thể lỏng, gọi là sự lắng đọng (deposition), tức chiều ngược của sự thăng hoa (sublimation). Ở đây các nguyên tử đang chuyển động hỗn loạn bị ép vào những vị trí cố định của mạng tinh thể, nên số trạng thái vi mô khả dĩ giảm mạnh. Do đó

\Delta S^\circ < 0

. Nói cách khác, hai ý (a) và (b) có dấu ngược nhau vì chúng đi ngược chiều nhau trên trục trật tự.

4Bước 4: Tại nhiệt độ sôi, lỏng và hơi cân bằng nhau nên

\Delta G^\circ = 0

và ta có

\Delta S^\circ_{vap} = \Delta H^\circ_{vap}/T_b

. Đổi nhiệt độ sôi sang thang Kelvin:

T_b = 759 + 273 = 1032\ \text{K}

, còn

\Delta H^\circ_{vap} = 76\,900\ \text{J·mol}^{-1}

. Thay số:

\Delta S^\circ_{vap} = \frac{76\,900}{1032} = 74{,}5\ \text{J·mol}^{-1}\text{K}^{-1}.

Giá trị dương này xác nhận dự đoán ở Bước 2; hơn nữa vì entropy là hàm trạng thái, quá trình ngược lại (ngưng tụ) sẽ có đúng giá trị

-74{,}5\ \text{J·mol}^{-1}\text{K}^{-1}

5Bước 5: Cuối cùng, hãy hỏi xem chất có đổi bản chất hay không. Trong cả ba sơ đồ, các hạt vẫn là nguyên tử kali riêng lẻ: không có liên kết nào bị phá vỡ hay tạo mới giữa các nguyên tố khác nhau, và chỉ có lực hút giữa các hạt thay đổi. Vì vậy đây là biến đổi vật lý, và chỉ cần hạ nhiệt độ hoặc nén lại là thu về đúng mẫu kali ban đầu với cùng nhiệt độ nóng chảy. Ngược lại, nếu cho kali gặp nước thì sản phẩm là

\text{KOH}

và

\text{H}_2

— lúc đó mới là biến đổi hóa học.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh làm hai thí nghiệm nung nóng trong tiết thực hành. Ở thí nghiệm 1, bạn đun

1{,}270\ \text{g}

i-ốt rắn trong ống nghiệm kín, thấy xuất hiện hơi màu tím; khi để nguội, chất rắn màu tím đen bám lại trên thành ống có khối lượng

1{,}270\ \text{g}

và nhiệt độ nóng chảy đo được vẫn là

114\ ^\circ\text{C}

như mẫu ban đầu. Ở thí nghiệm 2, bạn đốt một dải magnesium khối lượng

0{,}243\ \text{g}

trong không khí; ngọn lửa trắng chói xuất hiện và sản phẩm thu được là bột trắng nặng

0{,}403\ \text{g}

, không nóng chảy ở

114\ ^\circ\text{C}

mà cũng không ở

1000\ ^\circ\text{C}

aPhân loại quá trình ở thí nghiệm 1 và nêu bằng chứng thực nghiệm ủng hộ kết luận đó.
bDùng tính toán mol để chứng minh thí nghiệm 2 là biến đổi hóa học và viết phương trình phản ứng.

1Bước 1: Ở thí nghiệm 1, chất rắn chuyển thẳng thành hơi rồi quay về rắn, đúng mô tả của sự thăng hoa nối tiếp sự lắng đọng. Hai bằng chứng cho thấy bản chất chất không đổi: khối lượng thu hồi bằng đúng khối lượng ban đầu,

1{,}270\ \text{g}

, và nhiệt độ nóng chảy vẫn là

114\ ^\circ\text{C}

. Nhiệt độ nóng chảy là một tính chất vật lý đặc trưng, nên việc nó giữ nguyên là lập luận mạnh nhất để khẳng định vẫn là

\text{I}_2

. Do đó thí nghiệm 1 chỉ là biến đổi vật lý, dù màu sắc trung gian trông rất kịch tính.

2Bước 2: Ở thí nghiệm 2 thì khối lượng tăng, và riêng điều này đã loại bỏ khả năng biến đổi vật lý vì không có chất nào tự sinh khối lượng. Phần tăng thêm là

0{,}403 - 0{,}243 = 0{,}160\ \text{g}

, chính là khối lượng nguyên tố lấy từ không khí. Chia cho khối lượng mol của oxygen nguyên tử:

0{,}160/16{,}00 = 0{,}0100\ \text{mol}

3Bước 3: Bây giờ hãy đối chiếu với lượng magnesium ban đầu:

n_{\text{Mg}} = 0{,}243/24{,}31 = 0{,}0100\ \text{mol}

. Tỉ lệ

n_{\text{Mg}} : n_{\text{O}} = 0{,}0100 : 0{,}0100 = 1:1

, nên công thức thực nghiệm của bột trắng là

\text{MgO}

. Kiểm tra ngược lại cho thấy số liệu tự nhất quán:

0{,}0100\ \text{mol} \times 40{,}31\ \text{g·mol}^{-1} = 0{,}403\ \text{g}

, đúng bằng khối lượng cân được.

4Bước 4: Phương trình phản ứng là

2\,\text{Mg}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{MgO}(s).

Sản phẩm có công thức khác chất đầu và có tính chất vật lý khác hẳn — nó không nóng chảy ở

1000\ ^\circ\text{C}

trong khi magnesium nóng chảy ở khoảng

650\ ^\circ\text{C}

. Vì vậy đây là biến đổi hóa học chứ không phải biến đổi vật lý, và cũng không thể thu lại dải magnesium bằng cách đơn giản là để nguội.

Thí nghiệm 1 là biến đổi vật lý: khối lượng thu hồi và nhiệt độ nóng chảy đều không đổi nên chất vẫn là $\text{I}_2$ , chỉ có trạng thái tập hợp thay đổi. Thí nghiệm 2 là biến đổi hóa học: khối lượng tăng $0{,}160\ \text{g}$ ứng với $0{,}0100\ \text{mol}$ oxygen kết hợp với $0{,}0100\ \text{mol}$ magnesium theo tỉ lệ $1:1$ , tạo ra chất mới $\text{MgO}$ theo phương trình $2\,\text{Mg}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{MgO}(s)$ .