Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng cháy

combustion

Còn gọi: sự đốt cháy · combustion reaction

Phản ứng cháy là phản ứng của một chất với oxi, tỏa nhiệt mạnh và thường kèm ngọn lửa; đốt hydrocarbon cho sản phẩm là CO2 và H2O.

Trong hóa học, phản ứng cháy (combustion) chỉ những phản ứng trong đó một chất kết hợp với oxi, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và thường phát sáng thành ngọn lửa. Nhiên liệu quen thuộc nhất là các hydrocarbon, tức hợp chất chỉ gồm cacbon và hiđro; khi lượng oxi đủ dùng, mọi nguyên tử cacbon đều chuyển thành $\mathrm{CO_2}$ và mọi nguyên tử hiđro chuyển thành $\mathrm{H_2O}$ . Vì sản phẩm đã cố định như vậy, ta có thể viết ngay phương trình tổng quát mà không cần đoán:

$\mathrm{C_xH_y} + \left(x+\frac{y}{4}\right)\mathrm{O_2} \longrightarrow x\,\mathrm{CO_2} + \frac{y}{2}\,\mathrm{H_2O}$

Hệ số oxi cho biết số mol oxi cần cho mỗi mol nhiên liệu, suy ra từ việc cân bằng cacbon trước, hiđro sau, oxi cuối cùng. Với metan thì phương trình rút gọn thành $\mathrm{CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O}$ và độ biến thiên entanpi chuẩn $\Delta H^\circ \approx -890$ kJ/mol. Dấu âm khẳng định mọi phản ứng cháy đều tỏa nhiệt, bởi các liên kết mạnh trong $\mathrm{CO_2}$ và $\mathrm{H_2O}$ bền hơn hẳn các liên kết C–H, C–C và O=O bị phá vỡ ban đầu.

Tuy nhiên, tỏa nhiệt không có nghĩa là phản ứng tự khởi động. Xăng để trong bình vẫn nằm yên giữa không khí vì rào năng lượng hoạt hóa (activation energy) còn cao; phải có tia lửa cấp năng lượng cho vài phân tử đầu tiên thì nhiệt sinh ra mới nuôi tiếp phần còn lại. Ngược lại, nếu oxi thiếu, phản ứng chuyển sang cháy không hoàn toàn và sinh ra $\mathrm{CO}$ độc hoặc muội cacbon, đồng thời tỏa ít nhiệt hơn nhiều so với cháy hoàn toàn.

Do đó, ứng dụng định lượng quan trọng nhất của phản ứng này là phân tích cháy: đốt một khối lượng mẫu đã biết rồi cân riêng $\mathrm{CO_2}$ và $\mathrm{H_2O}$ thu được. Từ lượng chất thu được, ta suy ngược ra số mol C và H trong mẫu và tìm ra công thức thực nghiệm. Ngoài ra, vì nhiệt cháy chuẩn của rất nhiều chất đã được đo bằng nhiệt lượng kế, chúng thường được dùng làm dữ liệu đầu vào cho định luật Hess (Hess's law).

Ký hiệu

\Delta H_c^\circ

(nhiệt cháy chuẩn),

\Delta H^\circ_{\text{rxn}} < 0

Đơn vịkJ/mol

Trực giác: Giống như đốt một que diêm: cần quẹt một cái để mồi, nhưng sau đó nó tự cháy hết và tỏa nhiệt ra xung quanh.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{C_xH_y} + \htmlClass{fp-1}{\left(x + \frac{y}{4}\right)O_2} \rightarrow \htmlClass{fp-2}{xCO_2} + \htmlClass{fp-3}{\frac{y}{2}H_2O}

Dùng để viết phương trình cháy tổng quát của một hydrocarbon chưa biết công thức; từ đó suy ra hệ số cân bằng ngay mà không cần thử từng bước.

Trong đó

x

số nguyên tử carbon trong phân tử hydrocarbon

y

số nguyên tử hydrogen trong phân tử hydrocarbon

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thập niên 1770Antoine-Laurent de LavoisierJohann Joachim BecherGeorg Ernst StahlJoseph Priestley

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng mức: phá liên kết đi lên, tạo liên kết đi xuống — hiệu hai chiều đó chính là nhiệt của ngọn lửa

Hay hiểu sai

Năng lượng liên kết của sản phẩm phải LỚN hơn của chất phản ứng thì phản ứng cháy mới tỏa nhiệt.

Công thức năng lượng liên kết là "phá trừ tạo", không phải "tạo trừ phá".

Đếm thiếu số mol liên kết là lỗi mất điểm phổ biến nhất trong bài năng lượng liên kết.

Nhiệt lượng nước hấp thụ và biến thiên enthalpy của phản ứng cháy trái dấu nhau.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Metan cháy trong oxygen dư theo phương trình

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

. Bảng dưới đây cho enthalpy liên kết trung bình (average bond enthalpy) của một số liên kết:

\text{C}-\text{H}

là 414 kJ/mol,

\text{C}-\text{O}

là 360 kJ/mol,

\text{C}=\text{O}

là 799 kJ/mol,

\text{O}-\text{H}

là 464 kJ/mol,

\text{O}=\text{O}

là 498 kJ/mol.

aDựa vào bảng enthalpy liên kết, tính $\Delta H°$ của phản ứng cháy metan (theo kJ/mol metan).
bGiải thích tại sao giá trị $\text{C}-\text{O}$ trong bảng không được dùng trong phép tính ở phần (a).
cDấu của $\Delta H°$ cho biết điều gì về độ bền tương đối của các liên kết trong chất phản ứng và trong sản phẩm?

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 “Các loại phản ứng hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcphản ứng oxi hóa–khử năng lượng liên kết

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reaction)exothermic reaction

Khác nhau ở đâuPhản ứng cháy luôn là phản ứng tỏa nhiệt, nhưng không phải phản ứng tỏa nhiệt nào cũng là cháy. Phản ứng cháy đòi hỏi chất hữu cơ kết hợp nhanh với oxi phân tử, trong khi phản ứng tỏa nhiệt chỉ yêu cầu biến thiên enthalpy âm.

Hay nhầm khiKhi đề mô tả một quá trình giải phóng nhiệt mà không nhắc đến oxi hay ngọn lửa

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13–14, 21.

Phản ứng cháy được Antoine-Laurent de Lavoisier giải thích đúng bản chất vào những năm 1770, khi ông chỉ ra rằng chất cháy kết hợp với oxygen chứ không phải giải phóng một thứ vật chất bí ẩn. Cách hiểu này thay thế thuyết nhiên tố (phlogiston theory) vốn thống trị suốt gần một thế kỷ trước đó.

Trước Lavoisier, các nhà hóa học tin rằng mọi vật cháy được đều chứa sẵn một chất gọi là nhiên tố, và khi cháy thì chất ấy thoát ra ngoài. Ý tưởng này do Johann Joachim Becher nêu năm 1669 và được Georg Ernst Stahl hệ thống lại năm 1697, vì nó giải thích gọn ghẽ cả việc luyện kim lẫn việc củi hóa thành tro. Khi Joseph Priestley tìm ra oxygen, ông vẫn diễn giải nó theo khung cũ và gọi đó là "không khí đã khử nhiên tố" (dephlogisticated air), tức thứ khí còn chỗ trống để hút thêm nhiên tố nên duy trì ngọn lửa lâu hơn. Đến thập niên 1770, Lavoisier lật ngược toàn bộ cách nhìn: vật cháy không mất đi thứ gì mà nhận thêm oxygen.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi tiếng Anh bắt nguồn từ tiếng Latin "combustus", nghĩa là "đã bị đốt cháy"; dạng tính từ "combust" đã đi vào tiếng Anh trung đại từ cuối thế kỷ 14 qua đường tiếng Pháp cổ. Vì vậy cái tên chỉ mô tả kết quả quan sát được — vật bị cháy — chứ không hàm ý gì về cơ chế, và điều đó lý giải vì sao thuật ngữ vẫn dùng được nguyên vẹn sau khi cách giải thích bên dưới nó thay đổi hoàn toàn. Ngược lại, từ "phlogiston" lấy từ tiếng Hy Lạp cổ φλογιστόν (bốc cháy), gốc φλόξ nghĩa là ngọn lửa: cái tên gắn chặt với một giả thuyết sai nên đã biến mất cùng giả thuyết ấy.

Bấm từng mức: phá liên kết đi lên, tạo liên kết đi xuống — hiệu hai chiều đó chính là nhiệt của ngọn lửa

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

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Luôn viết công thức tổng quát ra giấy trước khi thay số vào bài nhiệt.

Bài đốt nhiên liệu thường có thêm bước tính khối lượng, đừng dừng lại ở nhiệt lượng.

Kết quả từ năng lượng liên kết trung bình chỉ là giá trị gần đúng, và đề có thể hỏi vì sao.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Đếm số liên kết bị phá vỡ ở vế chất phản ứng. Một phân tử

\text{CH}_4

có 4 liên kết

\text{C}-\text{H}

, và hệ số 2 trước

\text{O}_2

nghĩa là có 2 liên kết đôi

\text{O}=\text{O}

. Việc đếm phải bám vào cấu trúc Lewis chứ không bám vào công thức phân tử, vì bảng chỉ cho giá trị theo từng loại liên kết.

2Bước 2: Tính tổng năng lượng cần cung cấp để phá các liên kết đó:

4(414) + 2(498) = 1656 + 996 = 2652

kJ. Con số này dương vì phá liên kết luôn thu nhiệt.

3Bước 3: Đếm và tính năng lượng tỏa ra khi tạo liên kết trong sản phẩm. Phân tử

\text{CO}_2

có 2 liên kết đôi

\text{C}=\text{O}

, còn mỗi phân tử

\text{H}_2\text{O}

có 2 liên kết

\text{O}-\text{H}

nên 2 phân tử nước cho 4 liên kết

\text{O}-\text{H}

. Tổng:

2(799) + 4(464) = 1598 + 1856 = 3454

kJ.

4Bước 4: Áp dụng

\Delta H° = \Sigma(\text{bonds broken}) - \Sigma(\text{bonds formed})

, ta được

\Delta H° = 2652 - 3454 = -802

kJ/mol. Kết quả âm, phù hợp với dữ kiện

\Delta H° < 0

mà đề bài thường nêu sẵn cho phản ứng cháy.

5Bước 5: Về phần (b): trong

\text{CO}_2

mỗi nguyên tử oxygen nối với carbon bằng một liên kết đôi

\text{O}=\text{C}=\text{O}

, hoàn toàn không có liên kết đơn

\text{C}-\text{O}

. Giá trị 360 kJ/mol là dữ kiện gây nhiễu; nếu dùng nhầm nó, năng lượng tạo liên kết sẽ bị hụt đi 878 kJ và dấu của

\Delta H°

có thể đảo ngược.

6Bước 6: Về phần (c): vì tổng năng lượng tạo liên kết (3454 kJ) lớn hơn tổng năng lượng phá liên kết (2652 kJ), các liên kết trong

\text{CO}_2

và

\text{H}_2\text{O}

bền hơn tổng thể các liên kết trong

\text{CH}_4

và

\text{O}_2

. Phần chênh lệch 802 kJ được giải phóng ra môi trường dưới dạng nhiệt.

Phản ứng cháy của 1 mol metan có $\Delta H° = -802$ kJ/mol. Dấu âm cho thấy đây là quá trình tỏa nhiệt: hệ nhả ra 802 kJ vì các liên kết $\text{C}=\text{O}$ và $\text{O}-\text{H}$ trong sản phẩm bền hơn các liên kết $\text{C}-\text{H}$ và $\text{O}=\text{O}$ đã bị phá vỡ. Giá trị $\text{C}-\text{O}$ không dùng đến vì trong $\text{CO}_2$ chỉ tồn tại liên kết đôi.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh cần xác định khối lượng butane,

\text{C}_4\text{H}_{10}(g)

, phải đốt để làm tăng nhiệt độ của một cốc chứa 1650 g cát thêm 180. °C. Nhiệt dung riêng (specific heat) của cát là 0,840 J/(g·°C) và nhiệt cháy chuẩn (standard enthalpy of combustion) của butane là

-2877

kJ/mol.

aViết phương trình hóa học cân bằng cho phản ứng cháy hoàn toàn của butane.
bTính nhiệt lượng cần thiết để làm cốc cát nóng lên 180. °C.
cTính khối lượng butane tối thiểu phải đốt để cung cấp lượng nhiệt đó.
dTrong thực nghiệm, khối lượng butane bị đốt luôn lớn hơn giá trị tính ở phần (c). Nêu hai lý do.

1Bước 1: Phản ứng cháy hoàn toàn của một hydrocarbon luôn cho

\text{CO}_2

và

\text{H}_2\text{O}

. Cân bằng carbon trước (4 nguyên tử C cho 4

\text{CO}_2

), rồi hydrogen (10 nguyên tử H cho 5

\text{H}_2\text{O}

), cuối cùng mới cân bằng oxygen; để tránh hệ số phân số ta nhân đôi toàn bộ:

2\,\text{C}_4\text{H}_{10}(g) + 13\,\text{O}_2(g) \rightarrow 8\,\text{CO}_2(g) + 10\,\text{H}_2\text{O}(g)

2Bước 2: Tính nhiệt lượng cát hấp thụ bằng

q = mc\Delta T

, trong đó

m

là khối lượng cát,

c

là nhiệt dung riêng và

\Delta T

là độ tăng nhiệt độ. Thay số:

q = (1650)(0{,}840)(180) = 249\,480

J, tức khoảng

2{,}49 \times 10^5

J hay 249 kJ.

3Bước 3: Vì nhiệt do butane tỏa ra phải bằng nhiệt cát thu vào, số mol butane cần đốt là

n = \dfrac{249{,}5}{2877} = 0{,}0867

mol. Ở đây ta lấy trị tuyệt đối của nhiệt cháy vì đang so sánh độ lớn của hai lượng nhiệt.

4Bước 4: Đổi số mol sang khối lượng bằng khối lượng mol

M(\text{C}_4\text{H}_{10}) = 4(12{,}01) + 10(1{,}008) = 58{,}12

g/mol. Do đó

m = (0{,}0867)(58{,}12) = 5{,}04

5Bước 5: Về phần (d): thứ nhất, một phần nhiệt từ ngọn lửa truyền ra không khí và ra giá đỡ thay vì đi hết vào cát, nên hệ không được cách nhiệt lý tưởng. Thứ hai, nếu oxygen không đủ sẽ xảy ra cháy không hoàn toàn (incomplete combustion) tạo

\text{CO}

và muội carbon, khiến mỗi mol butane nhả ra ít nhiệt hơn 2877 kJ.

Cốc cát cần hấp thụ $2{,}49 \times 10^5$ J, tương ứng với việc đốt cháy hoàn toàn khoảng 5,04 g butane theo phương trình $2\,\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\,\text{O}_2 \rightarrow 8\,\text{CO}_2 + 10\,\text{H}_2\text{O}$ . Đây là giá trị lý tưởng ứng với trường hợp toàn bộ nhiệt đi vào cát; trên thực tế học sinh sẽ phải đốt nhiều hơn 5,04 g vì thất thoát nhiệt ra môi trường và vì phản ứng có thể không cháy hoàn toàn.

Dẫn tớinhiên liệu hóa thạch (sắp có)

Liên quanhydrocarbon (sắp có)nhiệt đốt cháy (sắp có)

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