AP Chemistry

sự hóa hơi

vaporization

Còn gọi: hóa hơi · bay hơi · liquid-to-gas transition

Sự hóa hơi là quá trình chất lỏng chuyển sang trạng thái khí khi các phân tử hấp thụ đủ năng lượng để thắng lực liên phân tử.

Sự hóa hơi (vaporization) là quá trình chuyển pha trong đó các phân tử ở trạng thái lỏng thu nhận đủ động năng để thoát khỏi lực hút liên phân tử và chuyển sang trạng thái khí. Quá trình này xảy ra theo hai cơ chế: bay hơi diễn ra trên bề mặt chất lỏng ở bất kỳ nhiệt độ nào, còn sôi xảy ra trong toàn bộ thể tích khi áp suất hơi bằng áp suất ngoài. Vì các phân tử cần năng lượng để phá vỡ những tương tác hút lẫn nhau, sự hóa hơi luôn là quá trình thu nhiệt (endothermic).

Do đó, nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi một mol chất lỏng được gọi là nhiệt hóa hơi (heat of vaporization), ký hiệu $\Delta H_{vap}$ . Công thức tính nhiệt lượng trao đổi trong quá trình này là:

$q = n \cdot \Delta H_{vap}$

Trong đó $n$ là số mol chất lỏng và $q$ là nhiệt lượng hấp thụ. Giá trị $\Delta H_{vap}$ của nước ở điểm sôi thường là 40,7 kJ/mol — một con số lớn bất thường so với nhiều chất lỏng khác, phản ánh mạng lưới liên kết hydro bền vững giữa các phân tử nước.

Vì vậy, độ lớn của $\Delta H_{vap}$ phụ thuộc trực tiếp vào cường độ lực liên phân tử trong chất lỏng. Chất nào có liên kết hydro mạnh như nước hay ethanol sẽ cần nhiều năng lượng hơn để hóa hơi so với chất chỉ chịu lực phân tán như hexane. Nhờ đó, ta có thể dự đoán tương đối nhiệt độ sôi và nhiệt hóa hơi của một chất chỉ dựa vào bản chất các lực liên phân tử hiện diện trong phân tử. Tuy nhiên, cần nhớ rằng áp suất ngoài cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi — ở áp suất thấp hơn, chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn dù $\Delta H_{vap}$ không thay đổi đáng kể.

Ký hiệu

\Delta H_{vap}

Đơn vịkJ/mol

Trực giác: Hãy tưởng tượng một đám đông người nắm tay nhau trong phòng — muốn thoát ra ngoài, mỗi người phải dùng đủ sức để bứt khỏi tay người bên cạnh.

Công thức

\Delta H_{\text{vap}} = \frac{q}{n}

Dùng khi cần tính nhiệt lượng thu vào để chuyển một lượng chất lỏng xác định sang pha hơi ở nhiệt độ sôi, hoặc ngược lại suy ra số mol đã hóa hơi từ nhiệt lượng cung cấp.

Trong đó

\Delta H_{\text{vap}}

enthalpy of vaporization — nhiệt hóa hơi mol — kJ/mol

q

nhiệt lượng trao đổi trong quá trình hóa hơi — kJ

n

số mol chất lỏng đã chuyển sang pha hơi — mol

\htmlClass{fp-0}{\ln \frac{P_2}{P_1}} = \htmlClass{fp-1}{\frac{-\Delta H_{\text{vap}}}{R}} \htmlClass{fp-2}{\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1788

Danh từ "vaporization" xuất hiện trong tiếng Anh vào năm 1788, được tạo ra ngay trong tiếng Anh từ động từ "vaporize" cộng hậu tố ‑ation, để gọi tên hành động biến một chất thành hơi. Gốc xa hơn của cả họ từ này là tiếng Latin "vaporem", nghĩa là hơi nước hay luồng khí ấm bốc lên.

Trước khi có từ này, tiếng Anh thời trung đại đã dùng dạng "vaporacioun" từ cuối thế kỷ 14, và một động từ giản dị là "vapor" xuất hiện khoảng năm 1400, mượn thẳng từ động từ Latin "vaporare". Đến thập niên 1630, "vaporize" ra đời nhưng ban đầu chỉ có nghĩa là hút thuốc lá, tức tạo ra khói. Phải sang đầu thế kỷ 19 nó mới mang nghĩa hóa học quen thuộc ngày nay là làm cho một chất chuyển thành hơi nhờ nhiệt. Điều thú vị là danh từ đã được ghi nhận từ năm 1788, tức trước cả khi nghĩa hóa học của động từ gốc được xác lập.

Hay hiểu sai

Hóa hơi không bẻ gãy liên kết trong phân tử, chỉ thắng lực liên phân tử (intermolecular forces).

Ngưng tụ tỏa nhiệt, nên dấu phải đảo lại.

Entanpi hóa hơi cho sẵn là giá trị MOL, phải nhân với số mol.

Trong lúc chất lỏng đang sôi, nhiệt độ không tăng dù vẫn cấp nhiệt.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một mẫu ethanol

\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}

có số mol

n = 2{,}00

được đun ở nhiệt độ sôi cho đến khi toàn bộ chất lỏng chuyển hết thành hơi, trong điều kiện áp suất không đổi. Nhiệt hóa hơi mol (molar enthalpy of vaporization) của ethanol là

\Delta H_{\text{vap}} = +38{,}6\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

aTính biến thiên enthalpy của quá trình hóa hơi mẫu ethanol nói trên, kèm dấu thích hợp.
bNếu toàn bộ lượng hơi đó ngưng tụ trở lại thành chất lỏng ở cùng nhiệt độ, biến thiên enthalpy bằng bao nhiêu? Giải thích ngắn gọn.

1Bước 1: Xác định chiều của biến đổi trạng thái. Mẫu chất đi từ lỏng sang khí, nghĩa là các phân tử phải thắng được lực hút giữa chúng để tách rời nhau. Muốn vậy hệ phải nhận năng lượng từ môi trường, nên đây là quá trình thu nhiệt (endothermic) và

\Delta H > 0

. Dấu dương ghi sẵn trong

\Delta H_{\text{vap}} = +38{,}6\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

chính là để nhắc điều đó.

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 “Năng lượng của chuyển pha” — khoá AP Chemistry

Cần trướccác trạng thái vật chất (sắp có)lực hút giữa các phân tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

sự bay hơi (evaporation)evaporation

Khác nhau ở đâuSự hóa hơi là thuật ngữ chung cho quá trình lỏng chuyển thành khí. Sự bay hơi chỉ xảy ra trên bề mặt chất lỏng, ở nhiệt độ bất kì.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về quá trình xảy ra chỉ trên bề mặt chất lỏng ở nhiệt độ thường, học sinh ghi nhầm 'hóa hơi' thay vì 'bay hơi'.

sự thăng hoa (sublimation)sublimation

Khác nhau ở đâuSự hóa hơi bắt đầu từ trạng thái lỏng. Sự thăng hoa bỏ qua trạng thái lỏng, chuyển trực tiếp từ rắn sang khí.

Hay nhầm khiKhi quan sát chất rắn biến mất mà không thấy chất lỏng xuất hiện, học sinh ghi nhầm là hóa hơi thay vì thăng hoa.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 250, 527, 536.

2Ví dụ 2/2

Nhiệt hóa hơi của nước là

40{,}7\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

, còn của methane

\text{CH}_4

chỉ là

8{,}2\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

. Cho

M(\text{H}_2\text{O}) = 18{,}0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}

và

M(\text{CH}_4) = 16{,}0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}

aGiải thích ở mức phân tử vì sao nhiệt hóa hơi của methane nhỏ hơn nhiều so với của nước.
bTính nhiệt lượng cần để hóa hơi hoàn toàn $36{,}0$ g nước và $32{,}0$ g methane, mỗi chất ở nhiệt độ sôi của nó.

1Bước 1: Nhớ lại ý nghĩa vật lý của đại lượng đang so sánh: nhiệt hóa hơi đo đúng năng lượng cần để thắng lực liên phân tử (intermolecular forces) giữ các phân tử lại với nhau trong pha lỏng. Giá trị này càng lớn thì lực hút giữa các phân tử càng mạnh. Do đó câu hỏi "vì sao nhỏ hơn" thực chất là câu hỏi "chất nào có lực liên phân tử yếu hơn, và yếu vì đâu".

2Bước 2: Phân tích cấu tạo hai phân tử. Nước có nguyên tử hydrogen gắn trực tiếp với oxygen có độ âm điện lớn và còn cặp electron chưa liên kết, nên giữa các phân tử nước hình thành liên kết hydrogen (hydrogen bonding) — loại tương tác lưỡng cực đặc biệt mạnh. Methane thì không phân cực, hydrogen chỉ gắn với carbon, nên các phân tử chỉ hút nhau bằng lực phân tán London (London dispersion forces) rất yếu.

3Bước 3: Rút ra câu trả lời cho ý (a). Vì lực phân tán giữa các phân tử

\text{CH}_4

yếu hơn hẳn mạng liên kết hydrogen trong nước, cần ít năng lượng hơn nhiều để tách các phân tử methane ra pha khí. Nói cách khác, sự chênh lệch

40{,}7

so với

8{,}2\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

phản ánh sự chênh lệch về độ mạnh của lực liên phân tử chứ không phải về độ bền của liên kết trong phân tử.

4Bước 4: Chuyển khối lượng sang số mol cho ý (b):

n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{36{,}0}{18{,}0} = 2{,}00\ \text{mol}, \qquad n(\text{CH}_4) = \frac{32{,}0}{16{,}0} = 2{,}00\ \text{mol}

Hai mẫu có cùng số mol, nhờ đó việc so sánh nhiệt lượng trở thành so sánh trực tiếp hai giá trị

\Delta H_{\text{vap}}

5Bước 5: Áp dụng

\Delta H = n \cdot \Delta H_{\text{vap}}

cho từng chất:

\Delta H(\text{H}_2\text{O}) = (2{,}00)(40{,}7) = +81{,}4\ \text{kJ}

\Delta H(\text{CH}_4) = (2{,}00)(8{,}2) = +16{,}4\ \text{kJ}

Cả hai đều mang dấu dương vì hóa hơi luôn thu nhiệt; tỉ số

81{,}4/16{,}4 \approx 5

cho thấy nước cần khoảng năm lần năng lượng so với methane ở cùng số mol.

Methane có nhiệt hóa hơi nhỏ hơn vì các phân tử của nó không phân cực và chỉ hút nhau bằng lực phân tán yếu, trong khi nước phải phá vỡ mạng liên kết hydrogen mạnh; hệ quả định lượng là hóa hơi $2{,}00$ mol nước cần $+81{,}4\ \text{kJ}$ , còn cùng số mol methane chỉ cần $+16{,}4\ \text{kJ}$ .