Đang tải bài học…

AP Chemistry

biến thiên enthalpy chuẩn

standard enthalpy change

Còn gọi: ΔH° · delta H

Biến thiên enthalpy chuẩn là lượng nhiệt trao đổi khi một phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện mọi chất đều ở trạng thái chuẩn.

Biến thiên nhiệt hàm chuẩn (standard enthalpy change) là đại lượng nhiệt động đặc trưng cho lượng nhiệt mà một hệ phản ứng trao đổi với môi trường khi mọi chất tham gia và sản phẩm đều nằm ở trạng thái chuẩn, tức là áp suất 1 atm và nồng độ 1 M đối với dung dịch. Ký hiệu $\Delta H^\circ$ mang dấu mũ "không" để phân biệt đại lượng này với biến thiên nhiệt hàm trong điều kiện bất kỳ. Do đó, giá trị của $\Delta H^\circ$ sẽ mang dấu âm khi phản ứng tỏa nhiệt và mang dấu dương khi phản ứng thu nhiệt.

Vì vậy, để tính toán đại lượng này, công thức tổng quát cho biến thiên nhiệt hàm chuẩn của một phản ứng, hay còn gọi là nhiệt hàm phản ứng, được xác định dựa trên nhiệt hàm tạo thành chuẩn của các chất:

$\Delta H^\circ_{\text{rxn}} = \sum n\,\Delta H^\circ_f(\text{products}) - \sum m\,\Delta H^\circ_f(\text{reactants})$

Trong đó $n$ và $m$ là hệ số tỉ lượng tương ứng của từng chất trong phương trình đã cân bằng. Nhờ vào công thức trên, ta có thể tính được nhiệt lượng của bất kỳ phản ứng nào chỉ cần biết nhiệt hàm tạo thành chuẩn của mỗi hợp chất mà không cần đo đạc trực tiếp bằng nhiệt lượng kế.

Hơn nữa, một hệ quả quan trọng khác của tính chất hàm trạng thái nhiệt hàm chính là định luật Hess (Hess's law), theo đó biến thiên nhiệt hàm chuẩn của một phản ứng tổng cộng sẽ bằng tổng biến thiên nhiệt hàm chuẩn của các bước trung gian, bất kể phản ứng diễn ra qua bao nhiêu giai đoạn. Nhờ vậy, ngay cả những phản ứng không thể thực hiện trong phòng thí nghiệm vẫn có thể được tính toán gián tiếp thông qua chu trình nhiệt hóa. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiệt hàm tạo thành chuẩn của mọi đơn chất ở trạng thái bền nhất, chẳng hạn như khí $\text{O}_2$ , than chì hay $\text{N}_2$ , đều bằng không vì chúng được chọn làm mốc so sánh.

Ký hiệu

\Delta H^\circ

\Delta H^\circ_{\text{rxn}}

\Delta H^\circ_f

Đơn vịkJ hoặc kJ/mol

Trực giác: Hãy hình dung bạn di chuyển giữa hai tầng nhà bằng thang máy hoặc cầu thang bộ: dù đi cách nào, chênh lệch độ cao vẫn như nhau — biến thiên enthalpy chuẩn cũng chỉ đo chênh lệch năng lượng giữa sản phẩm và chất đầu, không phụ thuộc phản ứng đi qua mấy bước trung gian.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\Delta H^\circ_{\text{rxn}}} = \htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-1}{\sum n \Delta H^\circ_f(\text{products})} - \htmlClass{fp-3}{\sum m \Delta H^\circ_f(\text{reactants})}}

Dùng khi đề cho bảng $\Delta H^\circ_f$ của các chất trong phản ứng và yêu cầu tính nhiệt phản ứng chuẩn — công thức này thay thế cho việc phải ghép nhiều bước Hess's Law.

Trong đó

\Delta H^\circ_{\text{rxn}}

biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng (standard enthalpy change of reaction) —

\text{kJ}

n,\, m

hệ số tỉ lượng (stoichiometric coefficients) của sản phẩm và chất tham gia trong phương trình đã cân bằng

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1909 (in lần đầu; nhiều khả năng được nêu miệng năm 1908)Heike Kamerlingh OnnesJosiah Willard GibbsRudolf ClausiusBenoît Paul Émile ClapeyronGermain Hess

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng mức: đổi lối đi qua đơn chất, xem tổng ΔH° có nhúc nhích không

Hay hiểu sai

Đảo chiều một phương trình thì phải đổi dấu biến thiên enthalpy.

Nhiệt tạo thành chuẩn luôn ứng với đúng 1 mol chất được tạo thành.

Trạng thái vật lý của chất làm thay đổi giá trị enthalpy, không được dùng lẫn.

Công thức là sản phẩm trừ chất phản ứng, không phải ngược lại.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh nghiên cứu phản ứng giữa bạc kim loại và dung dịch axit nitric loãng ở 298 K, theo phương trình đã cân bằng: 3 Ag(s) + 4

\text{HNO}_3

(aq) → 3

\text{AgNO}_3

(aq) + NO(g) + 2

\text{H}_2\text{O}

(l). Bảng dưới đây cho nhiệt hình thành chuẩn (standard enthalpy of formation) của các chất ở 298 K: Ag(s):

0

;

\text{HNO}_3

(aq):

-207{,}4

;

\text{AgNO}_3

(aq):

-101{,}8

; NO(g):

+90{,}4

;

\text{H}_2\text{O}

(l):

-285{,}8

(đơn vị kJ/mol).

aDự đoán dấu của biến thiên entropy chuẩn $\Delta S^\circ$ của phản ứng và giải thích.
bTính giá trị $\Delta H^\circ_{rxn}$ của phản ứng, kèm đơn vị.
cThực nghiệm cho thấy phản ứng xảy ra tự phát ở 298 K. Hãy giải thích điều này bằng hai đại lượng vừa xác định.

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 nàyNhiệt động lực học · bài “Giới thiệu enthalpy phản ứng” — khoá AP Chemistry

Cần trướcenthalpyđiều kiện chuẩn

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

biến thiên enthalpy (enthalpy change)enthalpy change

Khác nhau ở đâuBiến thiên enthalpy đo ở bất kì điều kiện nào, không ràng buộc áp suất hay nồng độ. Biến thiên enthalpy chuẩn chỉ có giá trị xác định khi áp suất 1 atm và nồng độ mỗi chất tan 1 M.

Hay nhầm khiĐề cho ΔH không có dấu ° và thí sinh nhầm rằng đó đã là giá trị chuẩn.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 250, 252–253.

enthalpy tạo thành chuẩn (standard enthalpy of formation) — nhiệt lượng khi tạo 1 mol chất từ các đơn chất ở trạng thái chuẩn —

\text{kJ/mol}

Thuật ngữ enthalpy được gán cho nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes vào đầu thế kỷ 20 — xuất hiện trên ấn phẩm năm 1909 — nhằm đặt tên gọn cho đại lượng mà trước đó Josiah Willard Gibbs phải mô tả dài dòng là "hàm nhiệt ở áp suất không đổi" (heat function for constant pressure).

Nhiệt động lực học thế kỷ 19 vấp phải một khó khăn rất thực tế: phần lớn phản ứng hoá học và quá trình công nghiệp không diễn ra trong bình kín thể tích cố định, mà diễn ra ngoài không khí, dưới áp suất khí quyển gần như không đổi. Trong hoàn cảnh đó, nhiệt trao đổi mới là con số mà người làm thí nghiệm đo được, nên các nhà khoa học cần một hàm trạng thái gắn thẳng với lượng nhiệt ấy. Ý tưởng về "hàm lượng nhiệt" (heat content) gắn với Clapeyron và Clausius, còn Gibbs gọi nó là hàm nhiệt ở áp suất không đổi. Tên gọi ngắn xuất hiện năm 1909 và chỉ thực sự phổ biến trong thập niên 1920, đáng chú ý là qua bộ bảng và giản đồ hơi nước Mollier công bố năm 1927.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe xa lạ này thật ra rất đúng nghĩa. Enthalpy lấy gốc từ tiếng Hy Lạp θάλπος (thalpos), nghĩa là "hơi ấm, nhiệt" — đúng tinh thần của một đại lượng sinh ra để đo nhiệt. Cách đặt tên này nằm trong cùng một truyền thống với hai người anh em của nó: năng lượng lấy gốc ἔργον (ergon) là "công", còn entropy lấy gốc τροπή (tropē) là "biến đổi". Tuy vậy, chữ "nhiệt" trong tên gọi cũng để lại một hiểu lầm dai dẳng, vì biến thiên $\Delta H$ chỉ bằng nhiệt trao đổi khi áp suất được giữ không đổi, chứ không đúng trong trường hợp tổng quát. Do đó phần "chuẩn" trong tên tiếng Việt là bắt buộc: nó nhắc rằng con số chỉ có nghĩa khi gắn với một bộ điều kiện chuẩn (standard conditions) đã quy ước sẵn.

Bấm từng mức: đổi lối đi qua đơn chất, xem tổng ΔH° có nhúc nhích không

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Viết ra công thức tổng quát trước khi thay số, giám khảo chấm cả bước lập biểu thức.

Luôn kèm dấu và đơn vị $\text{kJ}/\text{mol}_{rxn}$ vào đáp án cuối.

Câu hỏi về dấu của biến thiên entropy phải được lý giải bằng số mol khí, không bằng cảm tính.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Xét dấu của

\Delta S^\circ

trước, vì phần này không cần tính toán mà chỉ cần đếm trạng thái vật chất. Bên chất tham gia có một chất rắn và một dung dịch, bên sản phẩm xuất hiện 1 mol khí NO cùng với dung dịch và chất lỏng. Khi một chất khí sinh ra từ hệ vốn không có khí, số cách sắp xếp vi mô của hệ tăng vọt, nên độ mất trật tự tăng. Do đó

\Delta S^\circ > 0

2Bước 2: Với phần enthalpy, ta dùng công thức tổng quát

\Delta H^\circ_{rxn} = \sum n\,\Delta H^\circ_f(\text{products}) - \sum n\,\Delta H^\circ_f(\text{reactants})

trong đó

n

là hệ số tỉ lượng trong phương trình đã cân bằng. Công thức này nói rằng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt hình thành của sản phẩm trừ đi tổng nhiệt hình thành của chất tham gia, mỗi số hạng đều được nhân với hệ số của chất đó. Lưu ý Ag(s) là đơn chất ở trạng thái chuẩn (standard state) nên

\Delta H^\circ_f = 0

; đây là quy ước, không phải kết quả đo.

3Bước 3: Tính tổng cho vế sản phẩm:

3(-101{,}8) + 1(+90{,}4) + 2(-285{,}8)

. Lần lượt ta có

-305{,}4

rồi

+90{,}4

rồi

-571{,}6

, cộng lại được

-786{,}6

kJ. Vế chất tham gia đơn giản hơn vì bạc đóng góp bằng không:

3(0) + 4(-207{,}4) = -829{,}6

kJ.

4Bước 4: Lấy hiệu hai tổng theo đúng thứ tự sản phẩm trừ chất tham gia:

\Delta H^\circ_{rxn} = (-786{,}6) - (-829{,}6) = +43{,}0\ \text{kJ/mol}_{rxn}

Dấu dương cho biết hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường, tức phản ứng thu nhiệt. Học sinh hay mất điểm ở bước này vì quên đổi dấu khi trừ một số âm, nên hãy viết đủ hai dấu ngoặc trước khi bấm máy.

5Bước 5: Ghép hai kết quả lại qua hệ thức

\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ

. Ở đây

\Delta H^\circ > 0

nên số hạng enthalpy chống lại tính tự phát; ngược lại

\Delta S^\circ > 0

làm cho

-T\Delta S^\circ

mang dấu âm và kéo

\Delta G^\circ

xuống. Vì phản ứng vẫn xảy ra ở 298 K, số hạng entropy phải trội hơn về độ lớn, khiến

\Delta G^\circ < 0

. Nói cách khác, phản ứng này thuận lợi về nhiệt động (thermodynamically favorable) là nhờ entropy chứ không nhờ enthalpy.

Phản ứng hòa tan bạc trong axit nitric loãng có $\Delta S^\circ > 0$ do sinh ra khí NO, và có $\Delta H^\circ_{rxn} = +43{,}0$ kJ/mol phản ứng, tức thu nhiệt. Sự tự phát ở 298 K đến từ việc số hạng $-T\Delta S^\circ$ đủ âm để lấn át giá trị $\Delta H^\circ$ dương, cho $\Delta G^\circ < 0$ .

2Ví dụ 2/2

Bảng sau cho biến thiên enthalpy chuẩn của hai phản ứng ở 298 K: phản ứng (1)

\text{H}_2(g) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(l)

có

\Delta H^\circ = -286

kJ/mol phản ứng; phản ứng (2)

\text{N}_2(g) + 3\,\text{O}_2(g) + \text{H}_2(g) \rightarrow 2\,\text{HNO}_3(l)

có

\Delta H^\circ = -348

kJ/mol phản ứng.

aXác định nhiệt hình thành chuẩn của $\text{HNO}_3(l)$ , kèm đơn vị.
bTính $\Delta H^\circ$ của phản ứng $\text{N}_2(g) + \tfrac{5}{2}\,\text{O}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\,\text{HNO}_3(l)$ .

1Bước 1: Trước hết phải kiểm tra xem phản ứng (2) có đúng là phản ứng hình thành hay không. Vế trái chỉ gồm các đơn chất ở trạng thái bền nhất tại 298 K là

\text{N}_2(g)

\text{O}_2(g)

và

\text{H}_2(g)

, còn vế phải chỉ có một hợp chất. Điều kiện duy nhất chưa thỏa là hệ số của sản phẩm bằng 2 chứ không phải 1, trong khi định nghĩa nhiệt hình thành đòi hỏi đúng 1 mol hợp chất.

2Bước 2: Vì enthalpy là đại lượng khuếch độ, khi chia toàn bộ phương trình cho 2 thì giá trị

\Delta H^\circ

cũng chia cho 2. Ta được

\Delta H^\circ_f\big(\text{HNO}_3(l)\big) = \frac{-348}{2} = -174\ \text{kJ/mol}

Con số âm này cho biết việc tạo 1 mol axit nitric lỏng từ các đơn chất giải phóng 174 kJ ra môi trường.

3Bước 3: Sang phần (b), ta so sánh phương trình đích với hai phương trình đã cho. Phương trình đích cần

2\,\text{HNO}_3(l)

ở vế phải, đúng như phản ứng (2), nên giữ nguyên phản ứng (2). Nhưng phương trình đích lại có

\text{H}_2\text{O}(l)

ở vế trái, trong khi phản ứng (1) đặt nước ở vế phải, nên phải đảo chiều phản ứng (1) và đổi dấu

\Delta H^\circ

của nó thành

+286

kJ.

4Bước 4: Cộng hai phương trình đã chỉnh theo định luật Hess (Hess's law) và triệt tiêu các chất xuất hiện ở cả hai vế. Khí

\text{H}_2

có mặt ở vế trái của phản ứng (2) và vế phải của phản ứng (1) đảo chiều nên bị khử hết; oxi thì còn lại

3 - \tfrac{1}{2} = \tfrac{5}{2}

mol ở vế trái. Kết quả đúng bằng phương trình đích, chứng tỏ cách ghép là hợp lệ.

5Bước 5: Cộng hai giá trị enthalpy tương ứng:

\Delta H^\circ = (-348) + (+286) = -62\ \text{kJ/mol}_{rxn}

Có thể kiểm tra lại bằng công thức tổng quát:

2(-174) - (-286) = -348 + 286 = -62

kJ, khớp hoàn toàn. Hai cách cho cùng một số vì cả hai đều dựa trên tính chất hàm trạng thái của enthalpy: chỉ điểm đầu và điểm cuối mới quan trọng, đường đi thì không.

Nhiệt hình thành chuẩn của $\text{HNO}_3(l)$ là $-174$ kJ/mol, và biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng tạo axit nitric từ nitơ, oxi và nước lỏng là $-62$ kJ/mol phản ứng, tức phản ứng tỏa nhiệt.

Dẫn tớiđịnh luật Hess (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.