Enthalpy — Định nghĩa, công thức và tỏa nhiệt vs thu nhiệt

Enthalpy là đại lượng mà các nhà hóa học dùng để theo dõi sự thay đổi năng lượng trong nhiều quá trình ở áp suất không đổi. Trong hầu hết các bài hóa học nhập môn, mẹo quan trọng là: nếu áp suất không đổi và công đáng kể duy nhất là công áp suất–thể tích, thì độ biến thiên enthalpy bằng nhiệt truyền vào hệ:

$$\Delta H = q_p$$

Điều này giúp bạn đọc dấu rất nhanh. Nếu $\Delta H < 0$, quá trình là tỏa nhiệt và hệ giải phóng nhiệt. Nếu $\Delta H > 0$, quá trình là thu nhiệt và hệ hấp thụ nhiệt.

Định nghĩa enthalpy trong hóa học

Enthalpy được định nghĩa là

$$H = U + pV$$

Ở đây, $U$ là nội năng, $p$ là áp suất và $V$ là thể tích. Enthalpy là một hàm trạng thái, nghĩa là nó phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của hệ chứ không phụ thuộc vào con đường dùng để đi đến trạng thái đó.

Trong thực tế, các nhà hóa học thường quan tâm đến độ biến thiên enthalpy chứ không phải giá trị tuyệt đối. Phần lớn câu hỏi hỏi điều gì xảy ra trong một quá trình như phản ứng, chuyển pha hoặc trộn lẫn, nên $\Delta H$ mới là đại lượng hữu ích.

Khi nào $\Delta H = q_p$ ở áp suất không đổi

$\Delta H$ cho biết độ chênh enthalpy giữa trạng thái cuối và trạng thái đầu:

$$\Delta H = H_{final} - H_{initial}$$

Ở áp suất không đổi, giá trị âm nghĩa là nhiệt rời khỏi hệ, còn giá trị dương nghĩa là nhiệt đi vào hệ. Quy ước dấu này luôn được xét từ góc nhìn của hệ.

Mẹo $\Delta H = q_p$ rất hữu ích, nhưng nó đi kèm một điều kiện. Nó áp dụng trong bối cảnh hóa học tiêu chuẩn với áp suất không đổi khi công áp suất–thể tích là hạng công liên quan duy nhất. Ngoài bối cảnh đó, bạn không nên xem nó như một công thức nhiệt tổng quát.

Tỏa nhiệt và thu nhiệt: đọc dấu như thế nào

Cách kiểm tra nhanh nhất là nhìn vào dấu của $\Delta H$:

• $\Delta H < 0$: tỏa nhiệt, nên hệ truyền nhiệt ra môi trường xung quanh
• $\Delta H > 0$: thu nhiệt, nên hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh

Sự cháy là một quá trình tỏa nhiệt phổ biến. Sự nóng chảy của nước đá là một quá trình thu nhiệt phổ biến. Tên gọi sẽ dễ nhớ hơn nếu bạn gắn chúng với chiều truyền nhiệt thay vì cố học thuộc từng từ một cách riêng lẻ.

Dấu của $\Delta H$ không cho biết một quá trình diễn ra nhanh hay chậm. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào động học và năng lượng hoạt hóa, không chỉ vào độ biến thiên enthalpy.

Ví dụ có lời giải: làm tan băng

Giả sử $2.00\ \mathrm{mol}$ nước đá nóng chảy ở $0^\circ \mathrm{C}$ và $1\ \mathrm{atm}$. Enthalpy nóng chảy mol của nước xấp xỉ

$$\Delta H_{fus} = 6.01\ \mathrm{kJ/mol}$$

Với lượng chất đã cho,

$$\Delta H = n\Delta H_{fus} = (2.00\ \mathrm{mol})(6.01\ \mathrm{kJ/mol}) = 12.0\ \mathrm{kJ}$$

Kết quả là dương, nên quá trình nóng chảy là thu nhiệt. Trong các điều kiện này, hệ hấp thụ $12.0\ \mathrm{kJ}$ nhiệt từ môi trường xung quanh.

Ví dụ này hữu ích vì dấu phù hợp với hình dung vật lý. Trong quá trình nóng chảy ở nhiệt độ chuyển pha, năng lượng hấp thụ dùng để thay đổi trạng thái thay vì làm tăng nhiệt độ của mẫu.

Những lỗi thường gặp trong bài toán enthalpy

Dùng $\Delta H = q_p$ mà không kiểm tra điều kiện

Mẹo $\Delta H = q_p$ không phải là định nghĩa tổng quát của nhiệt. Đây là hệ thức ở áp suất không đổi dùng trong các bối cảnh hóa học tiêu chuẩn.

Nhầm lẫn giữa hệ và môi trường xung quanh

Nếu bạn cảm thấy một phản ứng nóng lên, thì môi trường xung quanh đang nhận nhiệt. Điều đó thường có nghĩa là hệ đang giải phóng nhiệt, nên $\Delta H$ của hệ là âm.

Nhầm enthalpy với năng lượng hoạt hóa

Độ biến thiên enthalpy so sánh trạng thái đầu và trạng thái cuối. Năng lượng hoạt hóa là rào cản phải vượt qua để một bước phản ứng xảy ra. Chúng mô tả những phần khác nhau của bức tranh năng lượng.

Cho rằng tỏa nhiệt nghĩa là tự diễn biến

Không phải lúc nào cũng vậy. Enthalpy có ích, nhưng tính tự diễn biến ở nhiệt độ và áp suất không đổi phụ thuộc vào năng lượng tự do Gibbs, không chỉ riêng $\Delta H$.

Enthalpy được dùng ở đâu

Enthalpy xuất hiện trong toàn bộ nhiệt hóa học:

• nhiệt phản ứng và nhiệt lượng kế
• các chuyển pha như nóng chảy, đông đặc và hóa hơi
• các phép tính theo định luật Hess
• cân bằng năng lượng trong các bài toán phòng thí nghiệm và kỹ thuật

Nếu câu hỏi hỏi có bao nhiêu nhiệt được hấp thụ hoặc giải phóng ở áp suất không đổi, enthalpy thường là khái niệm đầu tiên cần kiểm tra.

Thử một câu hỏi nhiệt hóa học tương tự

Hãy thử cùng phép tính đó cho quá trình đông đặc thay vì nóng chảy. Trong cùng điều kiện, độ lớn giữ nguyên đối với quá trình ngược lại, nhưng dấu đổi:

$$\Delta H_{freeze} = -\Delta H_{fus}$$

Chỉ một phép so sánh đó cũng giúp việc nhớ tỏa nhiệt và thu nhiệt dễ hơn nhiều. Bước tiếp theo hữu ích là so sánh điều này với định luật Hess để xem các độ biến thiên enthalpy được cộng gộp như thế nào qua nhiều phản ứng.