Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng thu nhiệt

endothermic reaction

Còn gọi: thu nhiệt · ΔH dương · quá trình thu nhiệt · endothermic process · endothermic

Phản ứng thu nhiệt là quá trình hóa học trong đó hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường, làm nhiệt độ môi trường giảm.

Phản ứng thu nhiệt (endothermic reaction) là quá trình trong đó hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh (surroundings). Dấu hiệu đặc trưng của loại phản ứng này là biến thiên enthalpy mang giá trị dương, nghĩa là năng lượng (energy) của sản phẩm (product) cao hơn năng lượng của chất tham gia. Vì hệ nhận nhiệt từ bên ngoài nên nhiệt độ (temperature) của môi trường giảm đi, đó là lý do khi sờ vào bình chứa nước đá đang tan ta cảm thấy lạnh.

Hơn nữa, xét ở mức độ liên kết, phản ứng thu nhiệt xảy ra khi tổng năng lượng liên kết (bond energy) cần để phá vỡ các liên kết trong chất tham gia lớn hơn tổng năng lượng tỏa ra khi hình thành liên kết mới trong sản phẩm. Nhờ đó, phần năng lượng thiếu hụt được bù đắp bằng nhiệt hấp thụ từ môi trường. Ngược lại với phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reaction), quá trình này không tự cung cấp đủ năng lượng nội tại mà phải vay mượn nhiệt từ bên ngoài để duy trì.

Để đo lường cụ thể, khi thực hiện trong nhiệt lượng kế (calorimeter), phản ứng thu nhiệt làm nhiệt độ dung dịch (solution) giảm và độ giảm này cho phép tính toán nhiệt lượng mà phản ứng (reaction) đã hấp thụ. Cụ thể, nhiệt lượng dung dịch mất đi bằng đúng nhiệt lượng phản ứng thu vào theo hệ thức $q_{\text{rxn}} = -q_{\text{soln}}$ . Do đó, chỉ cần đo biến thiên nhiệt độ và biết nhiệt dung riêng của dung dịch, ta sẽ xác định được $\Delta H$ của phản ứng. Vì vậy, nhiệt lượng kế chính là công cụ thiết yếu giúp định lượng quá trình trao đổi nhiệt giữa phản ứng và môi trường.

Ký hiệu

• $\Delta H > 0$
• $q_{\text{rxn}} > 0$

Đơn vịJ hoặc kJ (thường ghi kJ/mol)

Trực giác: Giống như bạn phải bỏ tiền mua nguyên liệu để lắp ráp thành phẩm đắt hơn, phản ứng thu nhiệt cần nạp năng lượng từ bên ngoài để tạo ra sản phẩm có mức năng lượng cao hơn.

Công thức

\Delta H > 0

Dùng để nhận biết chiều truyền nhiệt: khi $\Delta H > 0$ , phản ứng là thu nhiệt (endothermic); nhiệt độ môi trường giảm vì nhiệt đã truyền vào hệ.

Trong đó

\Delta H

Biến thiên enthalpy của phản ứng — kJ/mol

q_{\text{rxn}} = -(m \cdot c_s \cdot \Delta T)

Dùng trong nhiệt lượng kế (calorimeter) để tính nhiệt phản ứng từ độ biến thiên nhiệt độ của dung dịch. Khi dung dịch lạnh đi, $\Delta T < 0$ và $q_{\text{rxn}}$ nhận giá trị dương — đúng đặc trưng thu nhiệt.

Trong đó

q_{\text{rxn}}

Nhiệt mà phản ứng hấp thụ hoặc giải phóng — J

m

Khối lượng dung dịch trong nhiệt lượng kế — g

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thế kỷ 19Marcellin Berthelot

Thuật ngữ "endothermic" do nhà hóa học người Pháp Marcellin Berthelot đặt ra vào thế kỷ 19, khi ông tìm cách phân loại các phản ứng theo chiều đi của nhiệt: hấp thụ vào hay tỏa ra.

Vào thế kỷ 19, hóa học đang chuyển từ việc mô tả chất sang việc đo đạc năng lượng kèm theo mỗi biến đổi. Berthelot đã đo nhiệt cháy (heat of combustion) của rất nhiều phản ứng và nhận ra cần một cặp tên gọi để phân biệt hai hướng trao đổi nhiệt trái ngược nhau. Do đó ông đưa vào cặp thuật ngữ "endothermic" và "exothermic", đặt nền cho cách nói quen thuộc ngày nay về hệ và môi trường xung quanh (system and surroundings). Ông cũng phát biểu ba định luật cho mọi quá trình hóa học, trong đó có nguyên lý công cực đại (principle of maximum work) cho rằng biến đổi trong hệ kín luôn hướng tới việc tỏa ra nhiều nhiệt nhất.

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng mức trên giản đồ: sản phẩm nằm cao hơn thì ΔH mang dấu dương và cốc nước lạnh đi

Hay hiểu sai

Phản ứng thu nhiệt không làm môi trường xung quanh nóng lên mà làm nó lạnh đi.

Dấu dương của $\Delta H$ là quy ước, không phải chuyện tùy chọn.

Đơn vị kJ/mol $_{rxn}$ ứng với cả phương trình, không phải với một chất bất kỳ.

Thu nhiệt không đồng nghĩa với "không tự diễn ra".

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cacbon suboxit được điều chế theo phương trình

2\,\mathrm{CO}(g) + \mathrm{C}(g) \rightarrow \mathrm{C_3O_2}(g)

với

\Delta H^\circ = +127{,}3\ \mathrm{kJ/mol_{rxn}}

. Phản ứng được thực hiện trong một bình kín cách nhiệt kém, đặt trên bàn thí nghiệm ở nhiệt độ phòng.

aDấu của $\Delta H^\circ$ cho biết điều gì về chiều truyền nhiệt giữa hệ và môi trường xung quanh (surroundings)?
bTính lượng nhiệt mà hệ hấp thụ khi $1{,}00$ mol $\mathrm{CO}(g)$ phản ứng hết với $\mathrm{C}(g)$ dư.
cNếu chạm tay vào thành bình trong lúc phản ứng xảy ra, ta cảm thấy nóng hay lạnh? Giải thích.

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 trướchệ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reaction)exothermic reaction

Khác nhau ở đâuPhản ứng thu nhiệt hấp thụ nhiệt từ môi trường ngoài nên ΔH mang giá trị dương. Phản ứng tỏa nhiệt giải phóng nhiệt vào môi trường ngoài nên ΔH mang giá trị âm.

Hay nhầm khiKhi đề bài cho dấu của ΔH hoặc hỏi về chiều truyền nhiệt giữa hệ và môi trường ngoài

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 229, 234, 243.

Nhiệt dung riêng của dung dịch (thường lấy bằng nước: 4,18 J/(g·K)) — J/(g

\cdot

\Delta T

Độ biến thiên nhiệt độ:

T_{\text{final}} - T_{\text{initial}}

— K

\htmlClass{fp-1}{\Delta H} = \htmlClass{fp-0}{H_{\text{products}} - H_{\text{reactants}}}

Liên kết dấu của $\Delta H$ với mức enthalpy tương đối giữa sản phẩm và chất đầu. Phản ứng thu nhiệt có $H_{\text{products}} > H_{\text{reactants}}$ , nên đồ thị enthalpy đi lên từ trái sang phải.

Trong đó

\Delta H

Biến thiên enthalpy của phản ứng — kJ/mol

H_{\text{products}}

Tổng enthalpy của các sản phẩm — kJ

H_{\text{reactants}}

Tổng enthalpy của các chất đầu — kJ

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ hai gốc Hy Lạp: endon nghĩa là "bên trong" và therm- nghĩa là "nóng, nhiệt". Vì vậy tiền tố cho biết nhiệt đi vào đâu chứ không cho biết phản ứng nóng hay lạnh: "endo-" là nhiệt đi vào hệ, còn ở từ đối lập "exo-" là nhiệt đi ra khỏi hệ. Cách đọc tên này giải thích một điều thoạt nghe vô lý với học sinh — phản ứng thu nhiệt lại làm cốc nước lạnh đi, bởi vì nhiệt bị hút từ môi trường xung quanh vào trong hệ phản ứng.

Bấm từng mức trên giản đồ: sản phẩm nằm cao hơn thì ΔH mang dấu dương và cốc nước lạnh đi

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

Tạo tài khoản miễn phí

Viết rõ dấu và đơn vị trong mọi câu tự luận về nhiệt.

Luôn quy đổi qua tỉ lệ hợp thức trước khi nhân với $\Delta H^\circ$ .

Dùng chiều thay đổi nhiệt độ để đọc dấu $\Delta H$ trong bài thực nghiệm.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Trước hết cần đọc đúng ý nghĩa của dấu. Giá trị

\Delta H^\circ = +127{,}3\ \mathrm{kJ/mol_{rxn}}

mang dấu dương, nghĩa là enthalpy của sản phẩm cao hơn enthalpy của chất phản ứng. Để leo lên mức năng lượng cao hơn đó, hệ phải nhận nhiệt từ bên ngoài vào, nên đây là phản ứng thu nhiệt và nhiệt truyền theo chiều từ môi trường vào hệ. Nói cách khác,

q_{rxn} > 0

còn

q_{surr} < 0

2Bước 2: Tiếp theo, phải hiểu đơn vị

\mathrm{kJ/mol_{rxn}}

gắn với hệ số tỉ lượng nào. Con số

127{,}3\ \mathrm{kJ}

ứng với một lần phản ứng đúng như đã viết, tức là ứng với

2

mol

\mathrm{CO}

chứ không phải

1

mol. Do đó tỉ lệ chuyển đổi cần dùng là

\dfrac{127{,}3\ \mathrm{kJ}}{2\ \mathrm{mol\ CO}}

. Vì

\mathrm{C}(g)

lấy dư,

\mathrm{CO}

chính là chất giới hạn và ta tính theo số mol của nó.

3Bước 3: Thay số vào tỉ lệ vừa lập:

q = 1{,}00\ \mathrm{mol\ CO} \times \frac{127{,}3\ \mathrm{kJ}}{2\ \mathrm{mol\ CO}} = 63{,}65\ \mathrm{kJ}.

Với ba chữ số có nghĩa, lượng nhiệt hấp thụ là

63{,}7\ \mathrm{kJ}

. Kết quả nhỏ hơn

127{,}3\ \mathrm{kJ}

đúng một nửa, hoàn toàn hợp lý vì ta chỉ cho phản ứng một nửa lượng

\mathrm{CO}

so với phương trình.

4Bước 4: Cuối cùng là câu hỏi cảm giác. Vì hệ rút nhiệt ra khỏi môi trường xung quanh, nhiệt độ của bình và của lớp không khí sát bình giảm xuống. Bàn tay ta thuộc về môi trường nên nhiệt sẽ chảy từ tay sang bình, và ta cảm thấy lạnh. Đây là dấu hiệu nhận biết quen thuộc của phản ứng thu nhiệt trong phòng thí nghiệm.

Vì $\Delta H^\circ$ dương nên phản ứng thu nhiệt: hệ nhận nhiệt từ môi trường. Khi $1{,}00$ mol $\mathrm{CO}$ phản ứng với $\mathrm{C}$ dư, hệ hấp thụ $63{,}7\ \mathrm{kJ}$ , và do nhiệt bị rút khỏi xung quanh nên thành bình sờ vào thấy lạnh.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh cho

5{,}00\ \mathrm{g}

\mathrm{NH_4NO_3}

(

M = 80{,}04\ \mathrm{g/mol}

) vào

100{,}0\ \mathrm{g}

nước cất đựng trong nhiệt lượng kế cốc cà phê (coffee-cup calorimeter) và khuấy cho tan hết. Nhiệt độ dung dịch giảm từ

22{,}0\ ^\circ\mathrm{C}

xuống

18{,}4\ ^\circ\mathrm{C}

. Giả thiết nhiệt dung riêng (specific heat) của dung dịch bằng của nước,

4{,}18\ \mathrm{J\,g^{-1}K^{-1}}

, và nhiệt lượng kế không hấp thụ nhiệt.

aQuá trình hòa tan này thu nhiệt hay tỏa nhiệt? Căn cứ vào dữ kiện nào?
bTính $q_{soln}$ , nhiệt lượng mà dung dịch trao đổi.
cTính $\Delta H$ của quá trình hòa tan theo đơn vị $\mathrm{kJ/mol}$ $\mathrm{NH_4NO_3}$ .

1Bước 1: Dấu hiệu thực nghiệm nằm ở chiều biến thiên nhiệt độ. Dung dịch nguội đi, tức là nước đã mất nhiệt; mà nước ở đây đóng vai trò môi trường bao quanh chất tan. Lượng nhiệt đó không biến mất mà bị quá trình hòa tan hấp thụ, nên đây là một quá trình thu nhiệt và ta dự đoán

\Delta H > 0

trước khi tính.

2Bước 2: Khối lượng dung dịch là tổng khối lượng chất tan và nước:

m = 5{,}00 + 100{,}0 = 105{,}0\ \mathrm{g}

. Biến thiên nhiệt độ là

\Delta T = 18{,}4 - 22{,}0 = -3{,}6\ \mathrm{K}

, âm vì nhiệt độ giảm. Lưu ý rằng chênh lệch tính bằng

^\circ\mathrm{C}

và bằng

\mathrm{K}

có cùng độ lớn nên không cần đổi đơn vị.

3Bước 3: Áp dụng công thức nhiệt lượng:

q_{soln} = m\,c\,\Delta T = (105{,}0)(4{,}18)(-3{,}6) = -1{,}58 \times 10^{3}\ \mathrm{J}.

Vậy dung dịch đã nhường

1{,}58\ \mathrm{kJ}

. Dấu âm ở đây chỉ nói rằng dung dịch mất nhiệt, chứ chưa phải là

\Delta H

của quá trình.

4Bước 4: Vì nhiệt lượng kế cô lập với bên ngoài, nhiệt mà dung dịch mất chính là nhiệt mà quá trình hòa tan nhận:

q_{rxn} = -q_{soln} = +1{,}58\ \mathrm{kJ}

. Số mol chất tan là

n = \frac{5{,}00}{80{,}04} = 0{,}0625\ \mathrm{mol}.

Con số này cho biết lượng nhiệt

1{,}58\ \mathrm{kJ}

ứng với bao nhiêu chất đã tan.

5Bước 5: Chia nhiệt cho số mol để quy về một mol:

\Delta H = \frac{+1{,}58\ \mathrm{kJ}}{0{,}0625\ \mathrm{mol}} = +25{,}3\ \mathrm{kJ/mol}.

Dấu dương khớp với dự đoán ở Bước 1, và độ lớn khoảng vài chục

\mathrm{kJ/mol}

là hợp lý cho một quá trình hòa tan muối. Nếu bài yêu cầu giải thích, có thể nói năng lượng cần để phá vỡ mạng tinh thể lớn hơn năng lượng tỏa ra khi các ion bị hydrat hóa.

Nhiệt độ giảm cho thấy quá trình hòa tan $\mathrm{NH_4NO_3}$ là thu nhiệt. Dung dịch nhường $1{,}58\ \mathrm{kJ}$ ( $q_{soln} = -1{,}58\ \mathrm{kJ}$ ), toàn bộ lượng nhiệt này bị hệ hấp thụ, nên nhiệt hòa tan là $\Delta H = +25{,}3\ \mathrm{kJ/mol}$ $\mathrm{NH_4NO_3}$ .

giản đồ tiến trình phản ứng (sắp có)

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