Đang tải bài học…

AP Chemistry

sự ngưng tụ

condensation

Còn gọi: ngưng tụ · hóa lỏng · liquefaction · chuyển khí sang lỏng · gas-to-liquid transition

Sự ngưng tụ là quá trình chất khí chuyển thành chất lỏng khi nhiệt độ giảm hoặc áp suất tăng.

Sự ngưng tụ (condensation) là quá trình các phân tử (molecule) ở trạng thái khí mất dần động năng (kinetic energy), chậm lại đủ để lực liên phân tử kéo chúng sát vào nhau và tạo thành pha lỏng. Khi nhiệt độ của một chất khí giảm, chuyển động nhiệt của các phân tử yếu dần, và đến một ngưỡng nào đó — thường ứng với điểm sôi ở áp suất khí quyển — các phân tử không còn đủ năng lượng để thắng lực hút giữa chúng nữa. Do đó, chúng tụ lại thành những giọt lỏng. Ngược lại, quá trình chất lỏng bay hơi thành khí đòi hỏi cung cấp năng lượng; vì vậy, ngưng tụ tự nó giải phóng năng lượng ra môi trường xung quanh.

Hơn nữa, về mặt nhiệt động lực học, sự ngưng tụ là một quá trình tỏa nhiệt. Lượng nhiệt tỏa ra khi một mol chất khí ngưng tụ hoàn toàn bằng entanpi hóa hơi của chất đó, nhưng mang dấu âm vì hệ mất năng lượng:

$\Delta H_{\text{cond}} = -\Delta H_{\text{vap}}$

Công thức này cho biết entanpi của quá trình ngưng tụ bằng đúng độ lớn nhưng trái dấu với entanpi của quá trình bay hơi. Nhờ đó, ta có thể tính nhiệt lượng trao đổi khi biết số mol chất khí tham gia: $q = n \cdot \Delta H_{\text{cond}}$ .

Trong thực tế, ngưng tụ xuất hiện khắp nơi: hơi nước trong không khí ngưng tụ trên bề mặt ly nước đá tạo thành những giọt nước nhỏ li ti, hay mây hình thành khi hơi nước bốc lên cao gặp lạnh. Tuy nhiên, ngưng tụ không chỉ là hiện tượng bề mặt — trong bình kín, khi tốc độ ngưng tụ bằng tốc độ bay hơi, hệ đạt trạng thái cân bằng động. Ở trạng thái này, áp suất hơi (vapor pressure) bão hòa của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của lực liên phân tử: lực càng mạnh, chất càng dễ ngưng tụ và áp suất hơi bão hòa càng thấp.

Ký hiệu

\Delta H_{\text{cond}}

Đơn vịkJ/mol

Trực giác: Như một đám đông chạy nhảy trong sân trường đến khi trời lạnh thì chậm dần rồi tụ lại thành từng nhóm ôm sát nhau, các phân tử khí khi mất nhiệt sẽ chậm lại và co cụm thành chất lỏng.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\Delta H_{\text{cond}}} = -\htmlClass{fp-1}{\Delta H_{\text{vap}}}

Dùng khi cần liên hệ nhiệt ngưng tụ với nhiệt bay hơi đã biết; áp dụng cho mọi chất tại cùng nhiệt độ và áp suất.

Trong đó

\Delta H_{\text{cond}}

Enthalpy of condensation — nhiệt ngưng tụ, lượng nhiệt toả ra khi một mol chất chuyển từ khí sang lỏng — kJ/mol

\Delta H_{\text{vap}}

Enthalpy of vaporization — nhiệt bay hơi, lượng nhiệt thu vào khi một mol chất chuyển từ lỏng sang khí — kJ/mol

q = n \cdot \Delta H_{\text{cond}}

Dùng để tính nhiệt lượng toả ra khi một lượng chất xác định ngưng tụ hoàn toàn từ khí sang lỏng.

Trong đó

Khái niệm này sinh ra từ đâu

khoảng năm 1600Albert EinsteinSatyendra Nath BoseEric CornellCarl WiemanWolfgang Ketterle

Hay hiểu sai

Sự ngưng tụ tỏa nhiệt chứ không thu nhiệt.

Ngưng tụ và bay hơi có độ lớn năng lượng bằng nhau, chỉ khác dấu.

Ngưng tụ là khí hóa lỏng, không phải khí hóa rắn.

Nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình ngưng tụ.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bốn chất lỏng dễ bay hơi được đun cho bay hơi hoàn toàn, rồi hơi của mỗi chất được nạp riêng vào bốn xi-lanh giống nhau, tất cả đều giữ ở 25 °C. Áp suất hơi cân bằng của mỗi chất tại 25 °C được cho trong bảng sau: nước 23,8 torr; ethanol 59,0 torr; acetone 231 torr; diethyl ether 537 torr. Sau đó pít-tông của mỗi xi-lanh được nén từ từ ở nhiệt độ không đổi cho tới khi trong xi-lanh xuất hiện những giọt lỏng đầu tiên.

aHơi của chất nào ngưng tụ ở áp suất thấp nhất? Giải thích dựa trên lực liên phân tử.
bNếu lặp lại toàn bộ thí nghiệm ở 50 °C thay vì 25 °C, áp suất cần thiết để mỗi chất bắt đầu ngưng tụ sẽ tăng hay giảm? Giải thích theo mô hình hạt.

1Bước 1: Trước hết cần nhận ra điều kiện ngưng tụ. Khi nén hơi ở nhiệt độ không đổi, áp suất riêng phần của hơi tăng dần; giọt lỏng đầu tiên xuất hiện đúng lúc áp suất đó chạm tới áp suất hơi cân bằng (vapor pressure) của chất ở nhiệt độ đang xét. Vì vậy câu hỏi "chất nào ngưng tụ ở áp suất thấp nhất" tương đương với câu hỏi "chất nào có áp suất hơi nhỏ nhất tại 25 °C".

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 trướcchuyển pha (sắp có)các trạng thái vật chất

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

sự bay hơi (evaporation)evaporation

Khác nhau ở đâuSự ngưng tụ là quá trình chất khí chuyển thành chất lỏng, giải phóng nhiệt ra môi trường. Sự bay hơi là quá trình chất lỏng chuyển thành chất khí ở bề mặt thoáng, hấp thụ nhiệt từ môi trường.

Hay nhầm khiNhầm chiều của quá trình chuyển pha giữa khí và lỏng

sự ngưng kết (deposition)deposition

Khác nhau ở đâuSự ngưng tụ chuyển chất từ thể khí sang thể lỏng khi gặp bề mặt lạnh. Sự ngưng kết chuyển chất từ thể khí thẳng sang thể rắn, bỏ qua thể lỏng trung gian.

Hay nhầm khiCả hai đều bắt đầu từ thể khí nhưng sản phẩm cuối khác nhau (lỏng so với rắn)

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 23, 536–537.

q

Nhiệt lượng trao đổi trong quá trình ngưng tụ — kJ

n

Số mol chất tham gia quá trình ngưng tụ — mol

\Delta H_{\text{cond}}

Enthalpy of condensation — nhiệt ngưng tụ trên mỗi mol chất — kJ/mol

Từ "condensation" đi vào tiếng Anh khoảng năm 1600, mượn từ tiếng Latinh hậu kỳ condensationem với nghĩa "làm cho đặc lại"; mãi đến thế kỷ 20 cái tên này mới được Albert Einstein mượn sang vật lý lượng tử để gọi hiện tượng ngưng tụ Bose–Einstein.

Trước khi trở thành thuật ngữ khoa học, từ này chỉ đơn giản mô tả "hành động hoặc trạng thái trở nên đặc hơn", đúng với điều mắt thường quan sát được: chất khí loãng biến thành chất lỏng đặc hơn hẳn. Cái tên bám vào ý niệm mật độ ấy bền đến mức năm 1924–1925, khi Einstein dựa trên một bài báo tiên phong của Satyendra Nath Bose để tiên đoán rằng ở nhiệt độ đủ thấp vô số hạt sẽ cùng dồn vào một trạng thái lượng tử duy nhất, ông vẫn gọi hiện tượng đó là "ngưng tụ". Phải đến năm 1995 Eric Cornell và Carl Wieman mới tạo được nó trong phòng thí nghiệm.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Latinh hậu kỳ condensationem, gốc condensare nghĩa là "làm cho đặc lại", và đi vào tiếng Anh khoảng năm 1600 với nghĩa "hành động hoặc trạng thái trở nên đặc hơn". Vì vậy cái tên không mô tả việc mất nhiệt hay mất năng lượng, mà mô tả kết quả nhìn thấy được: các hạt vốn tản mác nay bị dồn lại sát nhau. Chính lõi nghĩa "dồn lại" ấy giải thích vì sao từ này còn được mang sang một hiện tượng chẳng liên quan gì đến sương hay hơi nước. Khi Einstein mở rộng ý tưởng của Bose từ hạt ánh sáng sang vật chất, ông mô tả cảnh vô số hạt boson (boson) cùng chiếm một trạng thái lượng tử; sự "dồn cục" trong không gian trạng thái đó được gọi là ngưng tụ Bose–Einstein (Bose–Einstein condensation), tên ghép từ hai tác giả của thống kê Bose–Einstein (Bose–Einstein statistics). Nhờ đó, một từ Latinh cổ về mật độ vật chất trở thành nhãn chung cho cả hiện tượng hơi nước đọng thành giọt lẫn một trạng thái vật chất chỉ xuất hiện gần độ không tuyệt đối, được thực hiện năm 1995 và mang lại giải Nobel Vật lý năm 2001.

Câu hỏi "khí nào ngưng tụ ở áp suất thấp nhất" là câu hỏi về lực liên phân tử.

Khi giải thích, phải gọi tên đúng loại lực chứ không nói chung chung.

Kiểm tra dấu trước khi nộp bài tính nhiệt.

Tần suất trong đề AP ChemistryÍt gặp

2Bước 2: So sánh bốn giá trị trong bảng:

23{,}8 < 59{,}0 < 231 < 537

(torr). Nước có giá trị nhỏ nhất, nên hơi nước bắt đầu ngưng tụ chỉ sau khi bị nén tới 23,8 torr, trong khi diethyl ether phải chịu tới 537 torr mới ngưng tụ. Do đó đáp án của ý (a) là nước.

3Bước 3: Giải thích nguyên nhân bằng lực liên phân tử (intermolecular forces). Phân tử nước có hai nguyên tử H gắn trực tiếp vào O và hai cặp electron chưa liên kết, nên tạo được mạng liên kết hydrogen (hydrogen bonding) dày đặc; ethanol cũng có liên kết hydrogen nhưng chỉ một nhóm –OH trên một phân tử cồng kềnh, còn acetone và diethyl ether chỉ có tương tác lưỡng cực–lưỡng cực và lực phân tán. Lực hút giữa các phân tử càng mạnh thì phân tử càng khó thoát khỏi pha lỏng, tức áp suất hơi càng thấp, và ngược lại hơi càng dễ bị nén trở lại thành lỏng. Nhờ đó nước vừa là chất có lực liên phân tử mạnh nhất, vừa là chất ngưng tụ ở áp suất thấp nhất.

4Bước 4: Sang ý (b): tăng nhiệt độ lên 50 °C làm động năng trung bình của các phân tử tăng, nên tỉ lệ phân tử đủ năng lượng để ở lại pha khí lớn hơn. Muốn ép chúng quay về pha lỏng, ta phải nén mạnh hơn nữa; nói cách khác áp suất hơi cân bằng của mọi chất đều tăng theo nhiệt độ. Vì vậy ở 50 °C, áp suất cần để bắt đầu ngưng tụ tăng đối với cả bốn chất, tuy thứ tự xếp hạng giữa chúng không đổi.

Hơi nước ngưng tụ ở áp suất thấp nhất (23,8 torr tại 25 °C) vì liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử nước giữ chúng lại trong pha lỏng, khiến áp suất hơi cân bằng của nước nhỏ nhất trong bốn chất. Khi nâng nhiệt độ lên 50 °C, phân tử chuyển động mạnh hơn nên áp suất hơi cân bằng của mọi chất đều lớn hơn, và áp suất cần thiết để khởi đầu sự ngưng tụ vì thế đều tăng.

2Ví dụ 2/2

Một mô hình hạt biểu diễn quá trình bay hơi của nước lỏng ở 100 °C, và một mô hình khác biểu diễn quá trình ngưng tụ của hơi nước cũng ở 100 °C và 1 atm. Cho biết nhiệt hóa hơi (heat of vaporization) của nước tại 100 °C là

\Delta H_{vap} = +40{,}7\ \text{kJ/mol}

và khối lượng mol của nước là 18,0 g/mol.

aSo sánh dấu và độ lớn của biến thiên enthalpy trong hai quá trình bay hơi và ngưng tụ.
bTính nhiệt lượng trao đổi khi 36,0 g hơi nước ở 100 °C ngưng tụ hoàn toàn thành nước lỏng ở 100 °C, và cho biết nhiệt lượng đó được thu vào hay tỏa ra.

1Bước 1: Đọc mô hình hạt theo hướng biến đổi lực hút. Khi bay hơi, các phân tử đang bị giữ sát nhau trong pha lỏng phải cắt đứt gần như toàn bộ tương tác hút với các phân tử lân cận để tách ra xa nhau, mà việc phá vỡ lực hút luôn đòi hỏi năng lượng. Do đó bay hơi là quá trình thu nhiệt (endothermic) với

\Delta H > 0

2Bước 2: Ngưng tụ đi đúng chiều ngược lại: các phân tử ở xa nhau tiến lại gần và hình thành trở lại những tương tác hút vừa bị phá vỡ, nên hệ giải phóng năng lượng ra môi trường. Vậy ngưng tụ là quá trình tỏa nhiệt (exothermic) với

\Delta H < 0

. Vì hai quá trình là nghịch đảo của nhau giữa cùng hai trạng thái đầu và cuối, độ lớn của biến thiên enthalpy bằng nhau:

\Delta H_{cond} = -\Delta H_{vap} = -40{,}7\ \text{kJ/mol}

Công thức này nói rằng mỗi mol nước ngưng tụ giải phóng đúng lượng nhiệt mà một mol nước cần hấp thụ để bay hơi.

3Bước 3: Chuyển khối lượng đề cho sang số mol:

n = \frac{36{,}0}{18{,}0} = 2{,}00\ \text{mol}

Tức lượng hơi nước đã cho tương ứng đúng hai mol phân tử.

4Bước 4: Nhân số mol với biến thiên enthalpy mol:

q = n\,\Delta H_{cond} = (2{,}00)(-40{,}7) = -81{,}4\ \text{kJ}

Dấu âm cho biết hệ mất năng lượng, nghĩa là 81,4 kJ được tỏa ra môi trường xung quanh. Đây cũng chính là lý do hơi nước 100 °C gây bỏng nặng hơn nhiều so với nước lỏng cùng nhiệt độ: khi chạm da, hơi nước còn trút thêm phần nhiệt ngưng tụ này.

Bay hơi thu nhiệt và ngưng tụ tỏa nhiệt, hai biến thiên enthalpy có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu ( $+40{,}7$ và $-40{,}7$ kJ/mol). Khi 36,0 g hơi nước, tức 2,00 mol, ngưng tụ hoàn toàn ở 100 °C, hệ tỏa ra môi trường 81,4 kJ nhiệt ( $q = -81{,}4$ kJ).

Dẫn tớichưng cất (sắp có)

Liên quanáp suất hơilực hút giữa các phân tử (sắp có)

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