Định luật Hess

Định luật Hess giải thích cách tìm độ biến thiên enthalpy của một phản ứng bằng cách cộng các phản ứng khác có độ biến thiên enthalpy đã biết. Nó đúng vì $\Delta H$ tổng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc vào con đường diễn ra giữa chúng.

Nói ngắn gọn: nếu các phương trình hóa học cộng lại thành phản ứng mục tiêu, thì các độ biến thiên enthalpy của chúng cũng cộng lại. Điều này chỉ đúng khi các phương trình mô tả cùng các chất ở cùng trạng thái vật lý và trong cùng điều kiện.

Định luật Hess có ý nghĩa gì trong hóa học

Hãy tưởng tượng đưa cùng một hệ hóa học từ một tập hợp chất phản ứng đến một tập hợp sản phẩm theo hai con đường khác nhau. Nếu trạng thái đầu và trạng thái cuối giống nhau, thì tổng độ biến thiên enthalpy cũng giống nhau.

Đó là lý do định luật Hess hữu ích trong nhiệt hóa học. Một số enthalpy phản ứng rất khó đo trực tiếp, nhưng cùng một biến đổi tổng thể thường có thể được tạo thành từ các phản ứng mà giá trị $\Delta H$ đã biết.

Ý tưởng này thường được viết là

$$\Delta H_{overall} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3 + \cdots$$

Phát biểu này chỉ áp dụng khi các phương trình đã được điều chỉnh thực sự kết hợp lại để cho ra phản ứng mục tiêu.

Cách tính $\Delta H$ bằng định luật Hess

Làm theo trình tự sau:

1. Viết chính xác phản ứng mục tiêu.
2. Chọn các phản ứng đã biết có thể sắp xếp lại để tạo ra nó.
3. Đảo chiều phản ứng nếu cần, và đổi dấu của $\Delta H$.
4. Nhân một phản ứng nếu cần, và nhân $\Delta H$ với cùng hệ số đó.
5. Cộng các phương trình và khử các chất xuất hiện ở cả hai vế.

Phép biến đổi đại số với các phương trình và phép biến đổi với $\Delta H$ phải luôn tương ứng với nhau. Nếu bạn thay đổi một bên, bạn phải thay đổi bên kia theo đúng cách đó.

Ví dụ có lời giải: tìm $\Delta H$ khi tạo thành $CO_2$

Giả sử bạn muốn tìm độ biến thiên enthalpy cho phản ứng

$$C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$$

và bạn biết hai phản ứng sau:

$$C(graphite) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g) \qquad \Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ/mol}$$ $$CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g) \qquad \Delta H = -283.0\ \mathrm{kJ/mol}$$

Bây giờ cộng chúng lại:

$$\begin{aligned} C(graphite) + \frac{1}{2}O_2(g) &\rightarrow CO(g) \\ CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) &\rightarrow CO_2(g) \end{aligned}$$

$CO(g)$ bị khử vì nó xuất hiện ở cả hai vế. Hai hạng tử $\frac{1}{2}O_2(g)$ cộng lại thành $O_2(g)$, nên phản ứng tổng quát trở thành

$$C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$$

Sau đó cộng các độ biến thiên enthalpy:

$$\Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ/mol} + (-283.0\ \mathrm{kJ/mol}) = -393.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

Vậy độ biến thiên enthalpy khi tạo thành $CO_2(g)$ từ graphite và oxygen là

$$\Delta H = -393.5\ \mathrm{kJ/mol}$$

Đây là mô hình cốt lõi của định luật Hess. Bạn không cần một công thức mới cho mỗi bài. Bạn cần các phương trình có thể kết hợp thành phản ứng mục tiêu, cùng với việc đổi dấu và khử chất một cách cẩn thận.

Vì sao enthalpy có thể được cộng theo cách này

Định luật Hess đúng vì enthalpy là một hàm trạng thái. Hàm trạng thái phụ thuộc vào chính trạng thái của hệ, chứ không phụ thuộc vào cách hệ đi đến trạng thái đó.

Đó là điểm khác biệt chính so với một đại lượng phụ thuộc đường đi. Nếu hai con đường bắt đầu và kết thúc ở cùng các trạng thái, thì tổng độ biến thiên enthalpy của chúng phải giống nhau. Nếu không đúng như vậy, bạn có thể tạo ra các chu trình năng lượng mâu thuẫn.

Những lỗi thường gặp khi dùng định luật Hess

Quên đổi dấu khi đảo chiều phản ứng

Nếu bạn đảo một phương trình hóa học, thì $\Delta H$ tương ứng phải đổi dấu. Một bước tỏa nhiệt khi đảo chiều sẽ trở thành thu nhiệt, và ngược lại.

Quên nhân $\Delta H$

Nếu bạn nhân một phản ứng với $2$, bạn cũng phải nhân $\Delta H$ với $2$. Độ biến thiên enthalpy tỉ lệ với lượng phản ứng được viết ra.

Khử nhầm chất

Chỉ khử một chất nếu nó xuất hiện ở hai vế đối nhau sau khi các phương trình đã được sắp xếp. Nếu nó xuất hiện cùng một phía trong hai phương trình, thì không được khử.

Bỏ qua trạng thái vật lý

Trạng thái rất quan trọng trong nhiệt hóa học. $H_2O(l)$ và $H_2O(g)$ không thể thay thế cho nhau, và dùng sai trạng thái có thể dẫn đến phản ứng mục tiêu sai và enthalpy sai.

Khi nào định luật Hess hữu ích

Định luật Hess được dùng khi enthalpy phản ứng khó đo trực tiếp nhưng các phản ứng liên quan đã biết. Nó thường xuất hiện cùng với enthalpy tạo thành, dữ liệu đốt cháy và các chu trình phản ứng trong hóa học nhập môn.

Nó cũng là một cách tốt để kiểm tra lập luận nhiệt hóa học. Nếu các phương trình không kết hợp gọn thành phản ứng mục tiêu, thì tổng enthalpy vẫn chưa sẵn sàng.

Thử một bài nhiệt hóa học tương tự

Hãy tự thử bằng cách bắt đầu với một phản ứng mục tiêu và ba phương trình nhiệt hóa học đã biết, rồi xem bạn có cần đảo chiều hay nhân hệ số phương trình nào trước khi cộng hay không. Nếu bạn muốn học tiếp một chủ đề liên quan, hãy so sánh với enthalpy và entropy để thấy vai trò của $\Delta H$ trong bức tranh nhiệt động lực học rộng hơn.