AP Chemistry

hệ

system

Còn gọi: hệ phản ứng · reacting species

Hệ là phần của vũ trụ được chọn ra để nghiên cứu trong nhiệt động lực học, bao gồm toàn bộ chất và năng lượng mà ta theo dõi.

Trong nhiệt động lực học, mọi phân tích đều bắt đầu bằng việc xác định ranh giới quan sát. Hệ là phần của vũ trụ mà ta khoanh vùng để nghiên cứu; phần còn lại bên ngoài ranh giới đó được gọi là môi trường xung quanh. Ranh giới này có thể là tường bình phản ứng, bề mặt dung dịch, hay chỉ là một đường tưởng tượng — điều quan trọng là ta phải xác định rõ hệ chứa những gì trước khi tính toán bất kỳ đại lượng nhiệt động nào.

Tùy theo khả năng trao đổi vật chất và năng lượng qua ranh giới, hệ được chia thành ba loại. Hệ hở có thể trao đổi cả vật chất lẫn năng lượng với môi trường xung quanh — ví dụ như cốc dung dịch để hở. Ngược lại, hệ kín chỉ trao đổi năng lượng mà không trao đổi vật chất, như bình kín có thể dẫn nhiệt. Hệ cô lập (isolated system) không trao đổi gì với bên ngoài, và đây là mô hình lý tưởng để áp dụng định luật bảo toàn năng lượng một cách tuyệt đối.

Việc định nghĩa hệ có ý nghĩa thực tiễn trực tiếp khi tính toán. Nhiệt $q$ và công $w$ đều được quy ước theo góc nhìn của hệ: $q > 0$ khi hệ nhận nhiệt, $w > 0$ khi môi trường xung quanh thực hiện công lên hệ. Do đó, nội năng thay đổi theo $\Delta U = q + w$ , trong đó $\Delta U$ phản ánh tổng năng lượng mà hệ thu được hoặc mất đi. Vì vậy, nếu không xác định rõ ranh giới của hệ, dấu của $q$ và $w$ sẽ bị nhầm lẫn, dẫn đến kết quả sai trong mọi bài toán nhiệt hóa học.

Ký hiệu

• $q$ : nhiệt trao đổi
• $w$ : công
• $\Delta U = q + w$

Trực giác: Hệ giống như chiếc nồi đang nấu mà bạn đang theo dõi — mọi thứ bên trong nồi là hệ, còn bếp và không khí xung quanh là môi trường.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\Delta E} = \htmlClass{fp-1}{q} + \htmlClass{fp-2}{w}

Dùng để tính độ thay đổi nội năng của hệ khi biết nhiệt lượng và công trao đổi với môi trường xung quanh.

Trong đó

\Delta E

độ biến thiên nội năng của hệ — J

q

nhiệt lượng hệ trao đổi với môi trường — J

w

công hệ trao đổi với môi trường — J

\htmlClass{fp-0}{\Delta E_{\text{sys}}} + \htmlClass{fp-1}{\Delta E_{\text{surr}}} = 0

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng thành phần: chuyển nước vào trong ranh giới, dấu của q đổi ngay

Hay hiểu sai

Nước trong nhiệt lượng kế không phải là hệ mà là môi trường xung quanh.

Dấu của $q$ và $w$ luôn quy chiếu theo hệ, không theo môi trường.

Hệ kín khác hệ cô lập.

Dung dịch đệm không giữ pH cố định, chỉ làm pH đổi rất ít.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh cho 5,00 g

\text{NH}_4\text{NO}_3(s)

(khối lượng mol 80,05 g/mol) vào 100,0 g nước cất đựng trong nhiệt lượng kế cốc xốp, khuấy đều cho tan hết. Nhiệt độ của dung dịch giảm từ 22,0 °C xuống 18,5 °C. Giả thiết nhiệt dung riêng của dung dịch bằng 4,18 J/(g·°C), khối lượng riêng và nhiệt dung của cốc xốp không đáng kể, và không có nhiệt trao đổi với không khí bên ngoài.

aChỉ rõ đâu là hệ, đâu là môi trường xung quanh trong thí nghiệm này, và cho biết quá trình hòa tan thu nhiệt hay tỏa nhiệt. Giải thích dựa trên chiều truyền nhiệt.
bTính nhiệt lượng mà hệ trao đổi với môi trường, kèm dấu thích hợp.
cTính biến thiên entanpi hòa tan của $\text{NH}_4\text{NO}_3$ theo kJ/mol.
d

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 “Quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt” — khoá AP Chemistry

Cần trướcvật chất

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hệ cô lậpisolated system

Khác nhau ở đâuHệ kín trao đổi năng lượng nhưng không trao đổi vật chất với môi trường. Hệ cô lập không trao đổi cả năng lượng lẫn vật chất.

Hay nhầm khiĐề cho bình kín cách nhiệt rồi hỏi loại hệ — thí sinh hay chọn nhầm hệ kín thay vì hệ cô lập vì chỉ chú ý đến nắp bình mà bỏ qua yếu tố cách nhiệt.

hệ mởopen system

Khác nhau ở đâuHệ mở trao đổi cả năng lượng lẫn vật chất với môi trường, ví dụ cốc nước để hở. Hệ kín chỉ trao đổi năng lượng, không trao đổi vật chất.

Hay nhầm khiĐề mô tả bình có lỗ thoát khí — thí sinh hay xếp nhầm vào hệ kín vì bình có thành cứng, nhưng sự mất vật chất qua lỗ khiến nó là hệ mở.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 8, 14, 20.

1Bước 1: Vạch ranh giới cho hệ. Ở đây hệ là phần vật chất đang xảy ra biến đổi hóa học, tức là lượng

\text{NH}_4\text{NO}_3

đang hòa tan và các ion sinh ra. Mọi thứ còn lại mà hệ có thể trao đổi nhiệt — nước, cốc, nhiệt kế — là môi trường xung quanh (surroundings). Nhiệt độ của môi trường giảm, nghĩa là môi trường mất nhiệt; do đó nhiệt đã đi vào hệ và quá trình hòa tan là quá trình thu nhiệt.

2Bước 2: Tính nhiệt lượng mà môi trường (khối dung dịch) trao đổi. Khối lượng dung dịch là

m = 100{,}0 + 5{,}00 = 105{,}0

g, còn

\Delta T = 18{,}5 - 22{,}0 = -3{,}5\ ^\circ\text{C}

. Thay vào

q = mc\Delta T

q_{surr} = (105{,}0)(4{,}18)(-3{,}5) = -1{,}54 \times 10^{3}\ \text{J}

Dấu âm xác nhận môi trường đã nhường đi khoảng 1,54 kJ.

3Bước 3: Chuyển sang hệ. Vì nhiệt lượng kế được xem là cách nhiệt với bên ngoài, toàn bộ nhiệt mà môi trường mất đều đi vào hệ:

q_{sys} = -q_{surr} = +1{,}54 \times 10^{3}\ \text{J} = +1{,}54\ \text{kJ}

Dấu dương ở đây chính là cách phát biểu định lượng cho kết luận "thu nhiệt" ở phần (a).

4Bước 4: Quy về một mol chất tan. Số mol muối là

n = \dfrac{5{,}00}{80{,}05} = 0{,}0625

mol, nên

\Delta H_{soln} = \frac{+1{,}54 \times 10^{3}\ \text{J}}{0{,}0625\ \text{mol}} = +2{,}46 \times 10^{4}\ \text{J/mol} = +24{,}6\ \text{kJ/mol}

Đây là nhiệt hòa tan (enthalpy of solution) của

\text{NH}_4\text{NO}_3

ở điều kiện thí nghiệm.

5Bước 5: Xét sai số ở phần (d). Nếu cốc xốp cũng nguội đi cùng dung dịch thì nó cũng đã nhường nhiệt cho hệ, phần nhiệt này không được tính trong

mc\Delta T

vì ta chỉ lấy khối lượng dung dịch. Vì vậy

q_{sys}

tính được nhỏ hơn thực tế, và giá trị

+24{,}6

kJ/mol là ước lượng thấp hơn giá trị thật.

2Ví dụ 2/2

Trong một bình kín thể tích thay đổi được, giữ ở nhiệt độ không đổi 700 K, xảy ra phản ứng

2\,\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftarrows 2\,\text{SO}_3(g)

với

K_c = 40

và

\Delta H^\circ < 0

. Ở một thời điểm, nồng độ đo được trong bình là

[\text{SO}_2] = 0{,}20

[\text{O}_2] = 0{,}10

M và

[\text{SO}_3] = 0{,}40

aChứng minh rằng ở thời điểm đó hệ đang ở trạng thái cân bằng.
bNén bình để thể tích giảm còn một nửa, nhiệt độ vẫn giữ 700 K. Tính thương số phản ứng ngay sau khi nén và dự đoán chiều dịch chuyển của hệ.
cGiải thích tại sao bình phản ứng là một hệ kín nhưng không phải hệ cô lập, và điều đó ảnh hưởng thế nào tới giả thiết nhiệt độ không đổi.

1Bước 1: Tính thương số phản ứng (reaction quotient) với bộ nồng độ đã cho:

Q_c = \frac{[\text{SO}_3]^2}{[\text{SO}_2]^2[\text{O}_2]} = \frac{(0{,}40)^2}{(0{,}20)^2(0{,}10)} = \frac{0{,}16}{0{,}0040} = 40

Vì

Q_c = K_c = 40

, hệ không có xu hướng dịch chuyển theo chiều nào, tức là đang ở cân bằng.

2Bước 2: Xử lý việc nén. Số mol từng khí không đổi ngay tại thời điểm nén, nhưng thể tích giảm một nửa nên mọi nồng độ tăng gấp đôi:

[\text{SO}_2] = 0{,}40

[\text{O}_2] = 0{,}20

[\text{SO}_3] = 0{,}80

3Bước 3: Tính lại thương số phản ứng với bộ nồng độ mới:

Q_c = \frac{(0{,}80)^2}{(0{,}40)^2(0{,}20)} = \frac{0{,}64}{0{,}032} = 20

Vì mẫu số có tổng bậc lớn hơn tử số một đơn vị, việc tăng đồng loạt nồng độ làm

Q_c

giảm xuống còn một nửa.

4Bước 4: So sánh và kết luận chiều dịch chuyển. Ta có

Q_c = 20 < K_c = 40

, nên hệ phải tạo thêm sản phẩm để

Q_c

tăng trở lại 40, tức dịch chuyển sang phải. Kết quả này khớp với suy luận định tính: nén thì hệ chuyển về phía có ít mol khí hơn, mà vế phải chỉ có 2 mol khí so với 3 mol ở vế trái.

5Bước 5: Trả lời phần (c). Bình được bịt kín nên không có chất nào ra vào, đó là đặc điểm của hệ kín (closed system); tuy nhiên thành bình vẫn dẫn nhiệt, nên năng lượng vẫn đi qua ranh giới. Vì phản ứng tỏa nhiệt, lượng nhiệt sinh ra khi hệ dịch sang phải được truyền hết ra bên ngoài, nhờ đó nhiệt độ mới giữ được ở 700 K và

K_c

mới không đổi. Nếu bình thực sự cô lập, nhiệt tích lại sẽ làm nhiệt độ tăng và

K_c

của phản ứng tỏa nhiệt sẽ giảm.

Ở bộ nồng độ ban đầu, $Q_c = 40 = K_c$ nên hệ đang cân bằng. Sau khi nén còn một nửa thể tích, $Q_c$ tụt xuống 20, nhỏ hơn $K_c$ , nên hệ dịch chuyển theo chiều thuận tạo thêm $\text{SO}_3$ cho tới khi $Q_c$ trở lại 40. Bình kín chỉ ngăn vật chất chứ không ngăn nhiệt, vì vậy nhiệt tỏa ra thoát được ra ngoài và giả thiết nhiệt độ không đổi mới hợp lý.