Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hoá học

I. Ý NGHĨA VỀ DẤU VÀ GIÁ TRỊ CỦA BIẾN THIÊN ENTHALPY PHẢN ỨNG

Với các phản ứng có kèm theo sự trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt, có hai khả năng sau đây:

- Phản ứng toả nhiệt: Biến thiên enthalpy của phản ứng có giá trị âm. Biến thiên enthalpy càng âm, phản ứng toả ra càng nhiều nhiệt.

- Phản ứng thu nhiệt: Biến thiên enthalpy của phản ứng có giá trị dương. Biến thiên enthalpy càng dương, phản ứng thu vào càng nhiều nhiệt.

- Đối với một số phản ứng toả nhiệt, cần giai đoạn khơi mào, sau đó nó có thể tự diễn ra tiếp mà không cần đun nóng. Cũng có những phản ứng không cần giai đoạn khơi mào.

- Phần lớn các phản ứng thu nhiệt diễn ra đều cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài. Một số phản ứng thu nhiệt diễn ra bằng cách lấy nhiệt từ bên ngoài môi trường nên làm cho nhiệt độ môi trường xung quanh giảm đi.

Các phản ứng toả nhiệt (\(\Delta_rH_{298}^o\) < 0) thường diễn ra có lợi hơn các phản ứng thu nhiệt (\(\Delta_rH_{298}^o\) > 0).

II. CÁCH TÍNH BIẾN THIÊN ENTHALPY PHẢN ỨNG

1. Tính biến thiên enthalpy phản ứng theo enthalpy tạo thành

Cho phương trình hoá học tổng quát:

aA + bB  → mM  +  nN

⇒ Có thể tính được biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hoá học \(\Delta_rH_{298}^o\\\) khi biết các giá trị \(\Delta_fH_{298}^o\) của tất cả các chất đầu và sản phẩm theo công thức sau:

\(\Delta_rH_{298}^o\) = m x \(\Delta_fH_{298}^o\)(M) + n x \(\Delta_fH_{298}^o\)(N) - a x \(\Delta_fH_{298}^o\)(A) - b x \(\Delta_fH_{298}^o\)(B) 

Một cách tổng quát:

\(\Delta_rH_{298}^o\)= \(\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(sp\right)-\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(cđ\right)\)

trong đó: \(\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(sp\right)\) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn tương ứng của sản phẩm.

               \(\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(cđ\right)\) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn tương ứng của chất đầu.

VD: Xét quá trình đốt cháy khí propane C₃H₈(g):

C₃H₈(g) + 5O₂(g) \(\underrightarrow{t^o}\) 3CO₂(g) + 4H₂O(g)

Tính \(\Delta_rH_{298}^o\) của dựa vào nhiệt tạo thành của hợp chất, biết:

\(\Delta_fH_{298}^o\left(C_3H_8\left(g\right)\right)=\) -105,00 kJ/mol; \(\Delta_fH_{298}^o\left(CO_2\left(g\right)\right)=\) -393,50 kJ/mol; \(\Delta_fH_{298}^o\left(H_2O\left(g\right)\right)=\)-241,82 kJ/mol.

Giải:

\(\Delta_rH_{298}^o\) = \(\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(sp\right)-\Sigma\Delta_fH_{298}^o\left(cđ\right)\)

             = \(3\times\Delta_fH_{298}^o\left(CO_2\left(g\right)\right)+2\times\Delta_fH_{298}^o\left(H_2O\left(g\right)\right)-1\times\Delta_fH_{298}^o\left(C_3H_8\left(g\right)\right)-5\times\Delta_fH_{298}^o\left(O_2\left(g\right)\right)\) 

             = 3 x (-393,50) + 2 x (-241,82) - 1 x (-105,00) - 5 x 0 = -1559.14 kJ.

2. Tính biến thiên enthalpy phản ứng theo năng lượng liên kết

Cho phản ứng tổng quát ở điều kiện chuẩn:

aA(g) + bB(g) → mM(g) + nN(g)

⇒ Công thức tính \(\Delta_rH_{298}^o\\\) của phản ứng khi biết các giá trị năng lượng liên kết (E_b) theo công thức:

\(\Delta_rH_{298}^o\)= a x E_b(A) + b x E_b(B) - m x E_b(M) - n x E_b(N) 

- Điều kiện áp dụng: Áp dụng cho phản ứng trong đó các chất đều có liên kết cộng hoá trị ở thể khí khi biết giá trị năng lượng liên kết của tất cả các chất trông phản ứng.

Một cách tổng quát:

\(\Delta_rH_{298}^o=\Sigma E_b\left(cđ\right)-\Sigma E_b\left(sp\right)\)

trong đó: \(\Sigma E_b\left(cđ\right)\)là tổng năng lượng liên kết trong phân tử chất đầu.

               \(\Sigma E_b\left(sp\right)\) là tổng năng lượng liên kết trong phân tử sản phẩm.

VD: Tính \(\Delta_rH_{298}^o\) của phản ứng N₂H₄(g) → N₂(g) + 2H₂(g) biết:

E_{b (N - H)} = 391 kJ/mol; E_{b (N \(\equiv\) N)} = 945 kJ/mol; E_{b (H - H)} = 432 kJ/mol; E_{b (N - N)} = 160 kJ/mol.

Phân tử N₂H₄

Giải

\(\Delta_rH_{298}^o=\) \(\Sigma E_b\left(cđ\right)-\Sigma E_b\left(sp\right)\) 

             = 1 x (1 x E_{b (N - N)} + 4 x E_{b (N - H)}) - (1 x E_{b (N \(\equiv\) N)} + 2 x E_{b (H - H)})

             = 1 x 160 + 4 x 391 - (945 + 2 x 432)

             = -85 kJ.

1. Nếu biến thiên enthalpy phản ứng là âm (\(\Delta_rH_{298}^o\) > 0) thì phản ứng đó toả nhiệt. Giá trị \(\Delta_rH_{298}^o\) càng âm, phản ứng càng toả nhiều nhiệt.

2. Nếu biến thiên enthalpy phản ứng là âm (\(\Delta_rH_{298}^o\) < 0) thì phản ứng đó thu nhiệt. Giá trị \(\Delta_rH_{298}^o\) càng âm, phản ứng càng thu nhiều nhiệt.

3. Các phản ứng toả nhiệt (\(\Delta_rH_{298}^o\) < 0) thường diễn ra thuận lợi hơn các phản ứng thu nhiệt (\(\Delta_rH_{298}^o\) > 0).

4. Có hai cách tính \(\Delta_rH_{298}^o\) là tính theo nhiệt tạo thành và tính theo năng lượng liên kết.