Nhiệt hóa học — Entanpi, định luật Hess và nhiệt lượng kế

Nhiệt hóa học là phần của hóa học nghiên cứu sự thay đổi nhiệt trong các phản ứng và biến đổi vật lý. Trong hầu hết các bài toán nhập môn, ba công cụ quen thuộc luôn xuất hiện lặp đi lặp lại: độ biến thiên entanpi $\Delta H$, định luật Hess và nhiệt lượng kế.

Dưới đây là ý nghĩa ngắn gọn của từng công cụ:

• $\Delta H < 0$: hệ tỏa nhiệt trong điều kiện áp suất không đổi
• $\Delta H > 0$: hệ thu nhiệt trong điều kiện áp suất không đổi
• định luật Hess: nếu các phản ứng cộng lại được với nhau thì các độ biến thiên entanpi của chúng cũng cộng lại
• nhiệt lượng kế: đo $\Delta T$, đổi sang $q$, rồi liên hệ lượng nhiệt đó với phản ứng

Nếu bạn chỉ nhớ một câu, hãy nhớ câu này: nhiệt hóa học là việc theo dõi nhiệt đi đâu, trong những điều kiện được nêu rõ.

Nhiệt hóa học có ý nghĩa gì trong thực tế

Trong nhiệt hóa học, đại lượng bạn thường tính là độ biến thiên entanpi, chứ không phải entanpi tuyệt đối. Với nhiều khóa học hóa học, entanpi hữu ích vì nó liên hệ sự truyền nhiệt với các phản ứng diễn ra ở áp suất không đổi.

Với một quá trình ở áp suất không đổi mà công áp suất–thể tích là dạng công liên quan,

$$\Delta H = q_p$$

Điều kiện đó rất quan trọng. Bạn không nên thay $\Delta H$ bằng nhiệt trong mọi tình huống. Cách viết tắt này chỉ đúng cho các hệ ở áp suất không đổi như nhiều phản ứng trong cốc hở và các bài toán nhiệt lượng kế cốc cà phê.

Từ đó có quy ước dấu quen thuộc:

• quá trình tỏa nhiệt: $\Delta H < 0$
• quá trình thu nhiệt: $\Delta H > 0$

Sự cháy là ví dụ điển hình của quá trình tỏa nhiệt. Sự nóng chảy của nước đá là ví dụ điển hình của quá trình thu nhiệt.

Cách định luật Hess tìm entanpi chưa biết

Định luật Hess phát biểu rằng độ biến thiên entanpi của một phản ứng tổng quát chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc vào con đường thực hiện. Điều này đúng vì entanpi là một hàm trạng thái.

Vì vậy, nếu các phương trình hóa học đã được điều chỉnh cộng lại thành phương trình mục tiêu, thì các độ biến thiên entanpi của chúng cũng cộng lại:

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

Hai thao tác dễ gây sai nhất là:

• nếu bạn đảo chiều một phản ứng, hãy đổi dấu của $\Delta H$
• nếu bạn nhân một phản ứng với một hệ số, hãy nhân $\Delta H$ với đúng hệ số đó

Định luật Hess đặc biệt hữu ích khi phản ứng cần tìm khó đo trực tiếp nhưng các phản ứng liên quan thì đã biết.

Cách nhiệt lượng kế biến độ thay đổi nhiệt độ thành nhiệt lượng

Nhiệt lượng kế ước tính nhiệt bằng cách quan sát nhiệt độ của một chất thay đổi bao nhiêu. Trong một bài toán đơn giản với dung dịch, nhiệt lượng mà môi trường hấp thụ hoặc giải phóng thường được mô hình hóa bằng

$$q = mc\Delta T$$

trong đó:

• $m$ là khối lượng
• $c$ là nhiệt dung riêng
• $\Delta T = T_{final} - T_{initial}$

Trong một nhiệt lượng kế cốc cà phê lý tưởng, nếu có thể bỏ qua sự trao đổi nhiệt với bên ngoài, thì phản ứng và môi trường xung quanh sẽ cân bằng nhiệt với nhau:

$$q_{rxn} = -q_{surr}$$

Nếu phản ứng diễn ra ở áp suất không đổi, điều đó thường cho phép bạn liên hệ nhiệt đo được với độ biến thiên entanpi ứng với lượng phản ứng đã xảy ra.

Ví dụ mẫu: Nhiệt lượng kế cốc cà phê

Giả sử một phản ứng xảy ra trong nhiệt lượng kế cốc cà phê và làm nóng $50.0\ \mathrm{g}$ dung dịch từ $22.0^\circ \mathrm{C}$ lên $28.0^\circ \mathrm{C}$. Giả sử dung dịch có tính chất như nước, nên $c = 4.18\ \mathrm{J/(g\cdot^\circ C)}$, và bỏ qua nhiệt dung của chính nhiệt lượng kế.

Trước hết, hãy tính nhiệt mà dung dịch thu vào:

$$\Delta T = 28.0 - 22.0 = 6.0^\circ \mathrm{C}$$ $$q_{solution} = mc\Delta T = (50.0)(4.18)(6.0) = 1254\ \mathrm{J}$$

Vậy dung dịch hấp thụ $1.254\ \mathrm{kJ}$ nhiệt.

Nếu cốc được xem như cách ly hiệu quả với môi trường bên ngoài, thì phản ứng phải giải phóng đúng lượng nhiệt đó:

$$q_{rxn} = -1.254\ \mathrm{kJ}$$

Vì đây là hệ ở áp suất không đổi, ta thường lấy

$$\Delta H_{rxn} \approx -1.25\ \mathrm{kJ}$$

cho lượng phản ứng đã xảy ra trong thí nghiệm đó.

Ý chính rất đơn giản: môi trường xung quanh nóng lên, nên phản ứng đã truyền nhiệt cho môi trường. Điều đó có nghĩa là phản ứng tỏa nhiệt.

Nếu bài toán còn cho lượng chất phản ứng đã dùng, bạn có thể đi thêm một bước và đổi kết quả này sang đơn vị $\mathrm{kJ/mol}$.

Những lỗi thường gặp trong nhiệt hóa học

Nhầm dấu

Nếu dung dịch nóng lên, dung dịch đã hấp thụ nhiệt, còn phản ứng thì giải phóng nhiệt. Điều đó có nghĩa là $q_{solution}$ và $q_{rxn}$ có dấu trái ngược nhau.

Dùng $\Delta H = q$ mà không nêu điều kiện

Cách viết tắt đúng là $\Delta H = q_p$, không phải cứ luôn luôn là $\Delta H = q$. Áp suất không đổi là điều kiện then chốt.

Quên điều chỉnh $\Delta H$ trong định luật Hess

Khi bạn đảo chiều một phương trình hóa học, dấu của $\Delta H$ phải đổi. Khi bạn nhân phương trình với một hệ số, $\Delta H$ cũng phải nhân theo.

Bỏ qua trạng thái vật lý

Trong nhiệt hóa học, trạng thái rất quan trọng. $H_2O(l)$ và $H_2O(g)$ không có cùng entanpi, nên sai khác về trạng thái có thể làm hỏng cách thiết lập bài toán định luật Hess.

Không xác định hệ ngay từ đầu

Trước khi tính toán bất cứ điều gì, hãy xác định đâu là hệ và đâu là môi trường xung quanh. Rất nhiều lỗi về dấu bắt đầu từ đây.

Khi nào dùng entanpi, định luật Hess và nhiệt lượng kế

Nhiệt hóa học được dùng khi nhà hóa học hoặc kỹ sư cần biết một quá trình giải phóng hay hấp thụ bao nhiêu nhiệt. Những trường hợp phổ biến gồm sự cháy, phản ứng trung hòa, sự hòa tan, chuyển pha, thiết kế thiết bị phản ứng và cân bằng năng lượng trong các quá trình công nghiệp.

Nó cũng giúp bạn quyết định công cụ nào phù hợp với bài toán:

• dùng nhiệt lượng kế khi dữ liệu nhiệt độ được đo trực tiếp
• dùng định luật Hess khi nhiệt phản ứng cần được ghép từ các bước đã biết
• dùng ngôn ngữ entanpi khi bạn cần mô tả sự truyền nhiệt trong điều kiện áp suất không đổi

Cách đơn giản để chọn đúng công cụ

Một cách thực tế để nghĩ về chủ đề này là:

1. Xác định quá trình và điều kiện.
2. Quyết định xem nhiệt được đo trực tiếp hay được suy ra từ các phản ứng đã biết.
3. Tính nhiệt cẩn thận, bao gồm cả dấu.
4. Chỉ chuyển kết quả đó thành $\Delta H$ khi điều kiện cho phép.

Danh sách kiểm tra ngắn này giúp tránh được phần lớn lỗi của người mới học.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy tự làm một phiên bản của riêng bạn với phản ứng trung hòa trong nhiệt lượng kế cốc cà phê. Tính $q_{solution}$ trước, rồi đổi dấu để tìm $q_{rxn}$. Sau đó, thử một bài toán định luật Hess trong đó nhiệt phản ứng không được đo trực tiếp và so sánh cách hai phương pháp đi đến cùng một kiểu đáp án từ những dữ liệu khác nhau.