Đang tải bài học…

AP Chemistry

entalpy tạo thành chuẩn

standard enthalpy of formation

Còn gọi: nhiệt tạo thành chuẩn · ΔH°f · entanpi tạo thành chuẩn

Entalpy tạo thành chuẩn là biến thiên entalpy khi tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất bền nhất ở trạng thái chuẩn, áp suất 1 bar và thường 298 K.

Nhiệt của một phản ứng không thể đo trực tiếp cho mọi phản ứng có thể xảy ra, nên hóa học chọn một mốc quy chiếu chung để suy ra các trường hợp còn lại. Mốc đó là entalpy tạo thành chuẩn: biến thiên entalpy của phản ứng tạo ra đúng một mol chất từ các đơn chất bền nhất của nó, với mọi chất ở trạng thái chuẩn, tức áp suất 1 bar và nồng độ 1 M, thường quy về 298 K. Theo quy ước này, mọi đơn chất ở dạng bền nhất có giá trị bằng không, chẳng hạn $\Delta H^\circ_f[\mathrm{O_2}(g)] = 0$ . Ngược lại, kim cương (diamond) thì không được gán giá trị không, vì dạng bền của cacbon là graphit.

Có hai chi tiết quyết định một phương trình có mô tả đúng entalpy tạo thành hay không: hệ số của sản phẩm phải đúng bằng 1 mol, và mọi chất tham gia phải là đơn chất ở dạng bền. Vì vậy $\mathrm{6\,C}(graphite) + \mathrm{6\,H_2}(g) + \mathrm{3\,O_2}(g) \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6}(s)$ là phương trình tạo thành hợp lệ của glucozơ, còn phản ứng phân hủy glucozơ thì không, bởi nó chạy ngược chiều nên muốn dùng phải đảo dấu. Ngoài ra, giá trị âm càng lớn nghĩa là hợp chất càng bền về mặt năng lượng so với các đơn chất sinh ra nó; chẳng hạn nước lỏng có $-285{,}8$ kJ/mol, trong khi axetilen lại dương $+226{,}7$ kJ/mol.

Nhờ định luật Hess, các giá trị lập bảng này cho phép tính nhiệt lượng của hầu như mọi phản ứng mà không cần làm thí nghiệm với nhiệt lượng kế (calorimeter):

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

Công thức này lấy tổng entalpy tạo thành của các sản phẩm trừ đi tổng của các chất phản ứng, trong đó mỗi số hạng được nhân với hệ số cân bằng $n$ hoặc $m$ trong phương trình. Do đó, khi làm bài thi bạn chỉ cần cân bằng phương trình cho chuẩn, tra bảng, rồi trừ theo đúng thứ tự. Tuy nhiên, đảo ngược thứ tự này lại là lỗi mất điểm phổ biến nhất, vì nó biến một phản ứng tỏa nhiệt thành phản ứng thu nhiệt (endothermic reaction).

Ký hiệu

• $\Delta H^\circ_f$ , đôi khi viết $\Delta H_f^{298}$
•

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

entalpy phản ứng chuẩn (standard enthalpy of reaction)standard enthalpy of reaction

Khác nhau ở đâuEntalpy tạo thành chuẩn chỉ xét phản ứng tạo 1 mol chất từ các nguyên tố ở trạng thái chuẩn. Entalpy phản ứng chuẩn xét bất kì phản ứng nào ở điều kiện chuẩn.

Hay nhầm khikhi đề bài cho giá trị entalpy và hỏi đây là entalpy tạo thành hay entalpy phản ứng

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 251–252, 254.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1909 (từ "enthalpy" xuất hiện lần đầu trên ấn phẩm)Heike Kamerlingh OnnesRudolf ClausiusBenoît Paul Émile ClapeyronJ. W. Gibbs

Từ "enthalpy" do nhà vật lý Heike Kamerlingh Onnes đặt ra vào đầu thế kỷ 20 — xuất hiện trên giấy in năm 1909 — để gọi tên đại lượng mô tả nhiệt trao đổi ở áp suất không đổi; trên nền đó, hóa học xây dựng bảng entalpy tạo thành chuẩn nhằm tính nhiệt phản ứng mà không phải đo từng phản ứng một.

Nhu cầu thực tế đến trước cái tên. Suốt thế kỷ 19, khi máy hơi nước và kỹ thuật làm lạnh phát triển, các kỹ sư cần một đại lượng đo đúng phần nhiệt trao đổi trong những quá trình diễn ra ở áp suất không đổi, và ý niệm "nhiệt lượng chứa trong vật" (heat content) gắn liền với Clapeyron cùng Clausius đã manh nha từ khoảng năm 1850. Gibbs từng gọi nó dài dòng là "hàm nhiệt ở áp suất không đổi". Đại lượng này chỉ thành công cụ phổ thông trong thập niên 1920, đặc biệt nhờ các bảng và giản đồ hơi nước Mollier công bố năm 1927. Từ đó, hóa học có nền để lập bảng nhiệt tạo thành.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe xa lạ nhưng lại rất sát nghĩa. "Enthalpy" lấy gốc từ tiếng Hy Lạp θάλπος (thalpos) nghĩa là "hơi ấm, nhiệt", đúng theo lối đặt tên của thời đó: "energy" mượn gốc ἔργον (ergon — "công") mà Thomas Young đưa vào nghĩa hiện đại năm 1802, còn "entropy" mượn gốc τροπή (tropē — "sự biến đổi") do Clausius đặt năm 1865. Nghĩa gốc "nhiệt" ấy phản ánh quan niệm cũ xem đại lượng này là lượng nhiệt chứa trong vật, quan niệm nay đã lỗi thời vì $\mathrm{d}H$ chỉ bằng nhiệt trao đổi khi áp suất giữ không đổi, chứ không đúng trong trường hợp tổng quát. Phần "tạo thành chuẩn" thì đến từ cách định nghĩa: đại lượng ứng với việc tạo thành đúng $1$ mol chất từ các đơn chất ở trạng thái chuẩn (standard state), ký hiệu $\Delta_f H^\ominus$ , trong đó chỉ số $f$ viết tắt cho "formation" và dấu $\ominus$ báo rằng quá trình xảy ra ở điều kiện chuẩn. Chữ "chuẩn" ấy có nội dung cụ thể và từng thay đổi: IUPAC khuyến nghị $p^\ominus = 10^5$ Pa (tức 1 bar), còn trước năm 1982 người ta dùng 1 atm $=101{,}325$ kPa, và không có nhiệt độ chuẩn cố định nên bảng số thường ghi kèm 298,15 K. Chính vì mọi giá trị đều quy về cùng một mốc như vậy mà các đơn chất ở trạng thái quy chiếu được gán giá trị bằng không, và định luật Hess (Hess's law) hay chu trình Born–Haber (Born–Haber cycle) mới cộng trừ được các số trong bảng để suy ra nhiệt của những phản ứng không đo trực tiếp được.

Nguồn đối chiếu

Hay hiểu sai

Phương trình tạo thành phải tạo ra đúng 1 mol chất, không phải 2 mol.

Đảo chiều phản ứng thì đổi dấu, nhân hệ số thì nhân enthalpy — làm thiếu một bước là sai.

Enthalpy tạo thành của đơn chất bằng 0 chỉ khi đơn chất ở dạng bền nhất.

Ký hiệu trạng thái trong ngoặc là một phần của định nghĩa, không phải chi tiết trang trí.

Mẹo phòng thi

Viết phương trình tạo thành mục tiêu ra giấy trước khi động vào các dữ kiện.

Trong phần tự luận, giám khảo chấm các bước biến đổi chứ không chỉ chấm con số.

Đừng lẫn công thức tính từ bảng tạo thành với công thức tính từ năng lượng liên kết (bond enthalpy).

Tần suất trong đề AP Chemistry

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cho phản ứng phân hủy amoniac ở 298 K:

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

, với

\Delta H^\circ_{298} = +92\ \text{kJ/mol}_{rxn}

. Biết khí

\text{H}_2

và khí

\text{N}_2

đều là dạng bền của nguyên tố ở điều kiện chuẩn.

aViết phương trình tạo thành chuẩn của $\text{NH}_3(g)$ từ các đơn chất.
bTính $\Delta H^\circ_f$ của $\text{NH}_3(g)$ ở 298 K.

1Bước 1: Nhớ lại định nghĩa: entalpy tạo thành chuẩn là biến thiên entalpy khi tạo đúng một mol hợp chất từ các đơn chất ở trạng thái chuẩn (standard state). Dạng bền của nitơ và hiđro ở 298 K đều là khí hai nguyên tử, nên phương trình cần viết là

\tfrac{1}{2}\,\text{N}_2(g) + \tfrac{3}{2}\,\text{H}_2(g) \rightarrow \text{NH}_3(g)

. Hệ số phân số ở đây là bắt buộc, vì vế phải chỉ được có 1 mol

\text{NH}_3

2Bước 2: So sánh phương trình vừa viết với phương trình đề cho: đề cho phản ứng đi theo chiều ngược lại (amoniac phân hủy) và ứng với 2 mol

\text{NH}_3

. Do đó phải đảo chiều và chia đôi. Khi đảo chiều thì đổi dấu:

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

có

\Delta H^\circ = -92\ \text{kJ/mol}_{rxn}

3Bước 3: Chia mọi hệ số cho 2 thì biến thiên entalpy cũng chia cho 2, theo định luật Hess (Hess's law):

\Delta H^\circ_f(\text{NH}_3) = \frac{-92}{2} = -46\ \text{kJ/mol}

Con số này nói rằng khi tạo 1 mol

\text{NH}_3(g)

từ

\text{N}_2

và

\text{H}_2

, hệ tỏa ra 46 kJ.

4Bước 4: Kiểm tra dấu cho hợp lý. Phản ứng phân hủy thu nhiệt (

\Delta H^\circ > 0

) thì phản ứng tổng hợp ngược lại phải tỏa nhiệt, nên giá trị âm là đúng chiều. Giá trị tra bảng là

-46{,}19

kJ/mol, khớp với kết quả tính.

Phương trình tạo thành chuẩn của amoniac là $\tfrac{1}{2}\,\text{N}_2(g) + \tfrac{3}{2}\,\text{H}_2(g) \rightarrow \text{NH}_3(g)$ , và $\Delta H^\circ_f(\text{NH}_3, g) = -46\ \text{kJ/mol}$ ở 298 K. Nói cách khác, mỗi mol amoniac khí được tạo thành từ các đơn chất bền sẽ giải phóng khoảng 46 kJ ra môi trường.

2Ví dụ 2/2

Cho các giá trị entalpy tạo thành chuẩn ở 298 K:

\text{CH}_4(g)

là

-74{,}8

kJ/mol;

\text{CO}_2(g)

là

-393{,}5

kJ/mol;

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

là

-285{,}8

kJ/mol. Khối lượng mol của

\text{CH}_4

là 16,0 g/mol.

aVì sao $\Delta H^\circ_f$ của $\text{O}_2(g)$ bằng 0, còn $\Delta H^\circ_f$ của $\text{H}_2\text{O}(g)$ lại khác của $\text{H}_2\text{O}(l)$ ?
bTính $\Delta H^\circ_{rxn}$ của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol $\text{CH}_4(g)$ tạo $\text{CO}_2(g)$ và $\text{H}_2\text{O}(l)$ .
cTính nhiệt tỏa ra khi đốt 1,00 g $\text{CH}_4(g)$ .

1Bước 1: Với ý (a), khí oxi chính là dạng bền của nguyên tố oxi ở 298 K và 1 bar, nên "tạo thành" nó từ chính nó không kèm biến đổi entalpy nào; mọi đơn chất ở trạng thái chuẩn đều có

\Delta H^\circ_f = 0

. Ngược lại, nước lỏng và hơi nước là hai trạng thái vật lý khác nhau của cùng một chất, mà bay hơi thì thu nhiệt. Vì vậy

\Delta H^\circ_f

của hơi nước (

-241{,}8

kJ/mol) kém âm hơn của nước lỏng đúng bằng entalpy bay hơi.

2Bước 2: Viết và cân bằng phương trình đốt cháy:

\text{CH}_4(g) + 2\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l)

. Hệ số cân bằng là thứ quyết định số mol nhân vào từng giá trị tra bảng, nên bước này không được bỏ qua.

entalpy tạo thành chuẩn

Hay nhầm với

Nguồn tham khảo

Công thức

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Thử nghiệm tương tác

Hay hiểu sai

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

Bạn nắm chắc chưa?

Học tiếp từ đây