Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng hóa học

chemical reactions

Còn gọi: biến đổi hóa học · chemical changes · thay đổi hóa học · chemical process · quá trình hóa học

Phản ứng hóa học là quá trình biến đổi chất này thành chất khác có thành phần và tính chất hóa học khác biệt.

Phản ứng hóa học là quá trình trong đó một hoặc nhiều chất ban đầu bị biến đổi thành những chất mới có thành phần và tính chất khác biệt. Các chất ban đầu được gọi là chất tham gia (reactant), còn những chất sinh ra sau phản ứng gọi là sản phẩm (product). Trong suốt quá trình này, các liên kết hóa học cũ bị phá vỡ và liên kết mới được hình thành, nhưng bản thân các nguyên tử không mất đi mà chỉ sắp xếp lại theo trật tự mới.

Để mô tả ngắn gọn quá trình biến đổi này, nhà hóa học dùng phương trình hóa học (chemical equation), trong đó công thức của các chất tham gia viết bên trái mũi tên và công thức các sản phẩm viết bên phải. Hệ số đặt trước mỗi công thức đảm bảo số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau, thể hiện định luật bảo toàn khối lượng (law of conservation of mass). Nhờ đó, từ phương trình đã cân bằng, ta có thể suy ra tỉ lệ mol giữa mọi chất tham gia và sản phẩm.

Tuy nhiên, phương trình hóa học chỉ cho biết chất nào tham gia, sinh ra với tỉ lệ bao nhiêu, chứ không cho biết phản ứng xảy ra nhanh hay chậm, tỏa nhiệt hay thu nhiệt, cũng như có thuận nghịch hay không. Những khía cạnh ấy thuộc về động học, nhiệt động lực học và cân bằng — các lĩnh vực được bàn ở những mục từ riêng. Vì vậy, khái niệm phản ứng hóa học ở đây đóng vai trò nền tảng: nó là điểm xuất phát để khảo sát mọi quá trình biến đổi chất.

Ký hiệu

a\text{A} + b\text{B} \longrightarrow c\text{C} + d\text{D}

— trong đó A, B là chất tham gia, C, D là sản phẩm, còn

a, b, c, d

là hệ số cân bằng.

Trực giác: Giống như tháo rời một mô hình Lego con rồng rồi lắp lại thành lâu đài — cùng những mảnh ghép ấy, nhưng trật tự liên kết đã hoàn toàn khác.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{aA + bB} \htmlClass{fp-1}{\rightarrow} \htmlClass{fp-2}{cC + dD}

Dùng để viết phương trình hóa học tổng quát, biểu diễn sự biến đổi từ chất tham gia (reactants) thành sản phẩm (products) với các hệ số nguyên tối giản.

Trong đó

A, B

Công thức hóa học của chất tham gia (reactants)

C, D

Công thức hóa học của sản phẩm (products)

a, b, c, d

Hệ số cân bằng (stoichiometric coefficients), tỉ lệ nguyên tối giản đảm bảo bảo toàn nguyên tố

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thế kỷ 18Antoine-Laurent LavoisierCarl Wilhelm ScheeleJoseph PriestleyJohn DaltonLudwig Wilhelmy

Hay hiểu sai

Đảo chiều một phương trình thì phải đổi dấu $\Delta H^\circ$ , nhân hệ số thì phải nhân cả $\Delta H^\circ$ .

Tần suất trong đề AP ChemistryÍt gặp

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bảng dưới đây cho biến thiên enthalpy chuẩn của hai phản ứng hóa học ở 298 K: | Phương trình hóa học |

\Delta H^\circ\ (\text{kJ/mol}_{rxn})

| |---|---|

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

-286

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

-348

Cho khối lượng mol của

\text{HNO}_3

là

63{,}0\ \text{g/mol}

aTính $\Delta H^\circ$ của phản ứng $\text{N}_2(g)+\tfrac{5}{2}\text{O}_2(g)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow 2\,\text{HNO}_3(l)$ .
bTừ dữ kiện đã cho, xác định enthalpy tạo thành chuẩn của $\text{HNO}_3(l)$ và giải thích vì sao dữ kiện đó đủ để tính.
cTính nhiệt lượng tỏa ra khi tạo thành $12{,}6\ \text{g}$ $\text{HNO}_3(l)$ từ các đơn chất ở trạng thái chuẩn.

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 “Giới thiệu phản ứng hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcliên kết hóa học

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

biến đổi vật lýphysical changes

Khác nhau ở đâuPhản ứng hóa học tạo chất mới với liên kết mới. Biến đổi vật lý chỉ thay đổi trạng thái hoặc hình dạng, giữ nguyên chất.

Hay nhầm khikhi phân biệt nước đá tan chảy và gỗ cháy

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 13, 16.

Khái niệm phản ứng hóa học hình thành từ thế kỷ 18, khi Antoine-Laurent Lavoisier đưa phép đo định lượng vào việc theo dõi các quá trình biến đổi chất, và được mở rộng sang tốc độ phản ứng từ năm 1850 với nghiên cứu của Ludwig Wilhelmy.

Ý niệm về phản ứng hóa học chỉ mới khoảng 250 năm tuổi, bắt nguồn từ những thí nghiệm phân loại chất thành nguyên tố và hợp chất. Các nghiên cứu nền tảng đầu tiên được tiến hành trên chất khí, đặc biệt là việc nhận ra oxygen của Carl Wilhelm Scheele và Joseph Priestley trong thế kỷ 18. Lavoisier là người khẳng định tầm quan trọng của phép đo định lượng: ông cân chính xác khối lượng tăng thêm khi một nguyên tố bị oxi hóa và quy kết phần tăng đó cho việc nguyên tố kết hợp với oxygen. Trong cuốn Traité élémentaire de chimie (1789) ông liệt kê 33 "nguyên tố", còn thuyết nguyên tử của John Dalton đầu thế kỷ 19 sau đó cho phản ứng một nền tảng vi mô.

Vì sao mang đúng cái tên này? Bản thân chữ "phản ứng" chỉ mô tả việc các chất tác động lẫn nhau để tạo ra chất mới, nhưng gần như toàn bộ từ vựng đi kèm mà đề thi hay dùng lại ra đời muộn hơn nhiều và mỗi tên đều gắn với một ý tưởng cụ thể. Năm 1887, Wilhelm Ostwald đưa vào hai thuật ngữ "bậc phản ứng" (reaction order) và "chu kỳ bán rã" (half-life) trong bộ Lehrbuch der allgemeinen Chemie. Hai năm sau, Arrhenius phân tích sự phụ thuộc của tốc độ vào nhiệt độ và diễn giải hệ số mũ như một "hàng rào năng lượng" — cách gọi này về sau thành năng lượng hoạt hóa. Đến 1917, Trautz và Lewis độc lập đề xuất rằng tốc độ được quyết định bởi tần suất va chạm giữa các phân tử, nên mô hình mang tên thuyết va chạm (collision theory); và năm 1935 Eyring dựng cách xử lý thống kê gọi là thuyết trạng thái chuyển tiếp (transition state theory), trong đó chất phản ứng trước hết chuyển thành một "phức chất hoạt hóa" rồi mới phân hủy. Tên gọi vì vậy phản chiếu đúng hình ảnh mà mỗi tác giả hình dung về đường đi của phản ứng.

Bước 1: Trước hết hãy so sánh phản ứng đích với hai phản ứng đã cho. Phản ứng đích cần

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

nằm ở vế trái, trong khi ở phản ứng thứ nhất nước lại nằm ở vế phải; ngoài ra

\text{H}_2(g)

có mặt trong cả hai phản ứng đã cho nhưng không xuất hiện trong phản ứng đích. Hai nhận xét này gợi ý rằng ta phải đảo chiều phản ứng thứ nhất rồi cộng vào phản ứng thứ hai. Đây chính là cách vận dụng định luật Hess (Hess's law): biến thiên enthalpy chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc đường đi.

2Bước 2: Đảo chiều phản ứng thứ nhất và đổi dấu giá trị enthalpy:

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

\Delta H^\circ=+286\ \text{kJ/mol}_{rxn}

. Dấu dương ở đây hợp lý vì phân hủy nước là quá trình thu nhiệt, ngược hẳn với phản ứng cháy tỏa nhiệt của hydrogen. Giữ nguyên phản ứng thứ hai với

\Delta H^\circ=-348\ \text{kJ/mol}_{rxn}

3Bước 3: Cộng hai phương trình lại. Vế trái có

\text{N}_2+3\,\text{O}_2+\text{H}_2+\text{H}_2\text{O}

, vế phải có

2\,\text{HNO}_3+\text{H}_2+\tfrac{1}{2}\text{O}_2

; khử

\text{H}_2

ở hai vế và bớt

\tfrac{1}{2}\text{O}_2

khỏi

3\,\text{O}_2

ta được đúng phản ứng đích

\text{N}_2(g)+\tfrac{5}{2}\text{O}_2(g)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow 2\,\text{HNO}_3(l)

. Cộng hai giá trị enthalpy:

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

Con số âm cho biết phản ứng đích tỏa nhiệt, nhưng tỏa ít hơn hẳn phản ứng thứ hai vì một phần năng lượng đã phải dùng để tách nước thành đơn chất.

4Bước 4: Với ý (b), hãy để ý rằng trong phản ứng thứ hai mọi chất tham gia đều là đơn chất ở trạng thái chuẩn:

\text{N}_2(g)

\text{O}_2(g)

và

\text{H}_2(g)

. Vì vậy giá trị

-348\ \text{kJ/mol}_{rxn}

chính là enthalpy tạo thành chuẩn (standard enthalpy of formation) ứng với

2

mol sản phẩm, và ta chỉ cần chia đôi:

\Delta H_f^\circ(\text{HNO}_3,l)=\frac{-348}{2}=-174\ \text{kJ/mol}

Nếu phương trình có thêm một hợp chất ở vế trái, chẳng hạn

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

như ở ý (a), thì phép chia này không còn dùng được nữa.

5Bước 5: Sang ý (c), đổi khối lượng ra số mol rồi nhân với enthalpy tạo thành:

n=\dfrac{12{,}6}{63{,}0}=0{,}200\ \text{mol}

, do đó

q=0{,}200\times(-174)=-34{,}8\ \text{kJ}

. Dấu âm gắn với hệ, nghĩa là hệ mất nhiệt; câu trả lời cho môi trường phải phát biểu là tỏa ra

34{,}8\ \text{kJ}

Phản ứng $\text{N}_2(g)+\tfrac{5}{2}\text{O}_2(g)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow 2\,\text{HNO}_3(l)$ có $\Delta H^\circ=-62\ \text{kJ/mol}_{rxn}$ ; enthalpy tạo thành chuẩn của $\text{HNO}_3(l)$ là $-174\ \text{kJ/mol}$ ; và khi tạo thành $12{,}6\ \text{g}$ acid nitric lỏng từ các đơn chất, hệ tỏa ra $34{,}8\ \text{kJ}$ nhiệt.

2Ví dụ 2/2

Đồng kim loại tan trong dung dịch acid nitric loãng theo phản ứng hóa học sau, xảy ra ở điều kiện chuẩn:

3\,\text{Cu}(s)+2\,\text{NO}_3^-(aq)+8\,\text{H}^+(aq)\rightarrow 3\,\text{Cu}^{2+}(aq)+2\,\text{NO}(g)+4\,\text{H}_2\text{O}(l)\qquad E^\circ=+0{,}62\ \text{V}

Cho

F=96\,485\ \text{C/mol e}^-

R=0{,}08206\ \text{L·atm·mol}^{-1}\text{K}^{-1}

, khối lượng mol của

\text{Cu}

là

63{,}55\ \text{g/mol}

aViết hai nửa phản ứng và chỉ ra chất bị oxi hóa, chất bị khử.
bTính $\Delta G^\circ$ của phản ứng và cho biết phản ứng có tự diễn biến ở điều kiện chuẩn hay không.
cCho $3{,}18\ \text{g}$ $\text{Cu}$ tan hết trong lượng dư dung dịch acid. Tính thể tích khí $\text{NO}$ thu được ở $298\ \text{K}$ và $1{,}00\ \text{atm}$ .
dNếu cần một kim loại có khả năng khử mạnh hơn $\text{Cu}$ , nên chọn $\text{Ag}$ ( $E^\circ=+0{,}80\ \text{V}$ ), $\text{Zn}$ ( $-0{,}76\ \text{V}$ ) hay $\text{Al}$ ( $-1{,}66\ \text{V}$ )? Giải thích.

1Bước 1: Hãy theo dõi số oxi hóa để tách phản ứng thành hai nửa. Đồng đi từ

0

lên

+2

nên bị oxi hóa:

\text{Cu}(s)\rightarrow\text{Cu}^{2+}(aq)+2e^-

. Nitrogen trong

\text{NO}_3^-

ở mức

+5

hạ xuống

+2

trong

\text{NO}

, tức bị khử:

\text{NO}_3^-(aq)+4\,\text{H}^+(aq)+3e^-\rightarrow\text{NO}(g)+2\,\text{H}_2\text{O}(l)

. Do đó

\text{Cu}

là chất khử (reducing agent) còn ion nitrate là chất oxi hóa (oxidizing agent).

2Bước 2: Số electron trao đổi phải khớp nhau thì phương trình mới cân bằng. Nhân nửa phản ứng oxi hóa với

3

và nửa phản ứng khử với

2

, ta có

6

electron ở mỗi bên, đúng bằng hệ số của phương trình tổng đã cho. Vậy

n=6\ \text{mol e}^-

cho mỗi mol phản ứng, và đây là con số sẽ dùng ở ý (b).

3Bước 3: Áp dụng hệ thức nối thế điện cực với năng lượng tự do:

\Delta G^\circ=-nFE^\circ=-(6)(96\,485)(0{,}62)=-3{,}59\times10^{5}\ \text{J/mol}_{rxn}

tức khoảng

-359\ \text{kJ/mol}_{rxn}

. Vì

E^\circ>0

nên

\Delta G^\circ<0

, phản ứng tự diễn biến theo chiều thuận ở điều kiện chuẩn; điều này phù hợp với thực tế đồng tan được trong acid nitric loãng dù không tan trong acid hydrochloric.

4Bước 4: Với ý (c), đi theo trình tự quen thuộc khối lượng → số mol → tỉ lệ hệ số → thể tích. Số mol đồng là

n_{\text{Cu}}=\dfrac{3{,}18}{63{,}55}=0{,}0500\ \text{mol}

, và theo hệ số thì cứ

3

mol

\text{Cu}

sinh

2

mol

\text{NO}

, nên

n_{\text{NO}}=0{,}0500\times\dfrac{2}{3}=0{,}0333\ \text{mol}

. Thay vào phương trình khí lý tưởng:

V=\frac{nRT}{P}=\frac{(0{,}0333)(0{,}08206)(298)}{1{,}00}=0{,}815\ \text{L}

Vậy thu được khoảng

0{,}815\ \text{L}

khí không màu

\text{NO}

5Bước 5: Ý (d) không cần tính toán mà cần đọc bảng thế điện cực chuẩn (standard reduction potential) cho đúng chiều. Thế khử càng âm thì dạng kim loại càng khó bị khử trở lại, nghĩa là càng dễ nhường electron và càng khử mạnh. Bạc có thế dương nên là chất khử yếu hơn cả đồng, kẽm đã mạnh hơn đồng, nhưng nhôm với

-1{,}66\ \text{V}

là âm nhất nên khử mạnh nhất.

Trong phản ứng này đồng bị oxi hóa còn ion nitrate bị khử, với $6$ electron trao đổi mỗi mol phản ứng; $\Delta G^\circ\approx-359\ \text{kJ/mol}_{rxn}$ nên phản ứng tự diễn biến ở điều kiện chuẩn. Từ $3{,}18\ \text{g}$ đồng thu được $0{,}0333\ \text{mol}$ khí $\text{NO}$ , chiếm $0{,}815\ \text{L}$ ở $298\ \text{K}$ và $1{,}00\ \text{atm}$ . Nếu cần chất khử mạnh hơn đồng thì nhôm là lựa chọn tốt nhất trong ba kim loại đã cho.

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