Lý thuyết Hóa học 10 Bài 15 (Cánh diều): Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Lý thuyết Hóa học 10Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa 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 tỏa nhiệt: biến thiên enthalpy của phản ứng có giá trị âm. Biến thiên enthalpy càng âm, phản ứng tỏa 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.

- Với phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng của hệ chất phản ứng cao hơn năng lượng của hệ sản phẩm, do vậy phản ứng diễn ra kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.

- Với phản ứng thu nhiệt, năng lượng của hệ chất phản ứng thấp hơn năng lượng của hệ sản phẩm, do vậy phản ứng diễn ra kèm theo sự hấp thu năng lượng dưới dạng nhiệt.

Ví dụ: Cho phản ứng đốt cháy methane và acetylene:

CH₄(g) + 2O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ CO₂(g) + 2H₂O(l)Δ_{r$H_{298}^0$}= -890,5 kJmol^-1

C₂H₂(g) + O₂(g) $\stackrel{}{\to }$2CO₂(g) + H₂O(l)Δ_{r$H_{298}^0$}= -1300,2 kJmol^-1

Với chất khí trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, tỉ lệ về số mol bằng tỉ lệ thể tích nên khi đốt cháy cùng một thể tích CH₄ và C₂H₂, lượng nhiệt do C₂H₂ sinh ra nhiều gấp khoảng 1,5 lần lượng nhiệt do CH₄ sinh ra. Thực tế, người ta sử dụng C₂H₂ trong đèn xì để hàn, cắt kim loại mà không dùng CH₄.

Hình 15.1. Đèn xì acetylene dùng để hàn, cắt kim loại

- So sánh phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt:

Loại phản ứng Giai đoạn	Phản ứng thu nhiệt	Phản ứng tỏa nhiệt
Giai đoạn khơi mào	Hầu hết các phản ứng cần thiết khơi mào (đun hoặc đốt nóng, …).	Có thể có hoặc không cần khơi mào, tùy phản ứng cụ thể.
Giai đoạn tiếp diễn	Hầu hết các phản ứng cần phải tiếp tục đun hoặc đốt nóng.	Hầu hết các phản ứng không cần tiếp tục đun hoặc đốt nóng.
Ví dụ	Phản ứng nung vôi cần nhiệt từ quá trình đốt cháy than, nếu dừng cung cấp nhiệt thì phản ứng nung vôi sẽ không tiếp diễn.	- Phản ứng cần khơi mào: phản ứng cháy, nổ, … sau đó, phản ứng tỏa nhiệt có thể tự tiếp diễn mà không cần tiếp tục đun nóng.

Lưu ý:Các phản ứng tỏa nhiệt (Δ_{r$H_{298}^0$}< 0) thường diễn ra thuận lợi hơn các phản ứng thu nhiệt (Δ_{r$H_{298}^0$}>0).

Ví dụ: Sau khi được đốt nóng, Na tự cháy trong chlorine cho đến hết do phản ứng này có Δ_{r$H_{298}^0$}rất âm.

Na(s) + $\frac{1}{2}$Cl₂(g) $\stackrel{}{\to }$ NaCl(s)Δ_{r$H_{298}^0$}= - 411,2 kJmol^-1

® Phản ứng này diễn ra thuận lợi hơn rất nhiều so với phản ứng giữa N₂ và O₂. Ở điều kiện chuẩn, phản ứng chỉ xảy ra khi được đốt nóng đến khoảng 3000^oC (cung cấp nhiệt), khi dừng đốt nóng phản ứng sẽ dừng lại.

N₂(s) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$NO(g)Δ_{r$H_{298}^0$}= 91,3 kJmol^-1

II. Cách tính biến thiên enthalpy phản ứng

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

- Giả sử có phản ứng tổng quát:

aA + bB $\stackrel{}{\to }$ mM + nN

- Biến thiên enthalpy chuẩn phản ứng của phản ứng được tính theo công thức: 

Δ_r $H_{298}^0$= m× Δ_f$H_{298}^0$(M) + n× Δ_f$H_{298}^0$(N) - a× Δ_f$H_{298}^0$(A) - b× Δ_f$H_{298}^0$(B)

Trong đó: A, B, M, N là các chất trong phản ứng; a, b, m, n là hệ số tương ứng của các chất.

- Chú ý: Enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất bằng 0.

Ví dụ 1: Cho phản ứng:2Na₂O(s) $\stackrel{}{\to }$4Na(s) + O₂(g)

Biến thiên enthalpy chuẩn phản ứng của phản ứng được tính như sau:

Δ_r $H_{298}^0$= 4× Δ_f$H_{298}^0$(Na(s)) +1× Δ_f$H_{298}^0$(O₂(g)) - 2× Δ_f$H_{298}^0$(Na₂O(s))

=4×0 + 1×0 - 2× (- 418,0)= 836,0 (kJ)

$\Rightarrow$ Do Δ_r$H_{298}^0$của phản ứng rất dương nên phản ứng thu nhiệt.

Ví dụ 2: Biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol C₂H₆(g) được tính như sau:

C₂H₆(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2CO₂(g) + 3H₂O(l)

Δ_r$H_{298}^0$= 2×Δ_f$H_{298}^0$(CO₂(g)) + 3×Δ_f$H_{298}^0$(H₂O(l))- 1×Δ_f$H_{298}^0$(C₂H₆(s))- $\frac{7}{2}$×Δ_f$H_{298}^0$O₂(g))

= 2×(- 393,5) + 3×(- 285,8) - 1×(- 84) - $\frac{7}{2}$×0 = -1560,4 (kJ)

$\Rightarrow$ Do Δ_r$H_{298}^0$ủa phản ứng rất âm nên phản ứng tỏa nhiệt mạnh, rất thuận lợi và cung cấp nhiều năng lượng.

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

Khi các chất trong phản ứng ở thể khí, biến thiên enthalpy phản ứng cũng có thể tính được nếu biết giá trị năng lượng liên kết của tất cả các chất trong phản ứng.

- Giả sử có phản ứng tổng quát:

aA(g) + bB(g) $\stackrel{}{\to }$ mM(g) + nN(g)

- Biến thiên enthalpy chuẩn phản ứng của phản ứng được tính theo công thức:

Δ_r$H_{298}^0$= a× E_b(A) + b× E_b(B) - m× E_b(M)- n× E_b(N)

Trong đó E_b(A), E_b(B), E_b(M), E_b(N) lần lượt là tổng năng lượng liên kết của tất cả các liên kết trong các phân tử A, B, M, N.

Lưu ý:Để tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo năng lượng liên kết, phải viết được công thức cấu tạo của tất cả các chất trong phản ứng để xác định số lượng và loại liên kết.

Ví dụ: Cho phản ứng:

C₂H₆(g) + Cl₂(g) $\stackrel{}{\to }$ C₂H₅Cl(g) + HCl(g)

Biến thiên enthalpy chuẩn phản ứng của phản ứng được tính theo năng lượng liên kết như sau:

Δ_r$H_{298}^0$=1× E_b(C₂H₆) + 1× E_b(Cl₂) - 1× E_b(C₂H₅Cl)- 1× E_b(HCl)

Δ_r$H_{298}^0$ =1×6E_C - _H + 1× E_C – _C + 1×E_Cl - _Cl - 1× (5E_C – _H + E_C – _C + E_C - _Cl)- 1×E_H – _Cl

Δ_r$H_{298}^0$= 1×6×414 + 1×347 + 1×243 - 1× (5×414 + 347 + 339)- 1×431 = -113 (kJ)

→ Phản ứng có Δ_r$H_{298}^0$ âm nên phản ứng tỏa nhiệt và diễn ra thuận lợi. Trong thực tế, chỉ cần được chiếu ánh sáng mặt trời là phản ứng đã diễn ra.

Câu 1. Khẳng định sai là

A. Nếu biến thiên enthalpy có giá trị âm thì phản ứng tỏa nhiệt

B. Nếu biến thiên enthalpy có giá trị dương thì phản ứng thu nhiệt

C. Biến thiên enthalpy càng âm thì phản ứng tỏa nhiệt càng ít

D. Biến thiên enthalpy càng dương thì phản ứng thu nhiệt càng nhiều

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích:

Biến thiên enthalpy càng âm thì phản ứng tỏa nhiệt càng ít. ⇒ Sai vì biến thiên enthalpy càng âm thì phản ứng tỏa ra càng nhiều nhiệt.

Câu 2. Cho phản ứng: CH₄ (g) + H₂O (l) ⟶ CO (g) + 3H₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 249,9 kJ.

Ở điều kiện chuẩn, để thu được 1 gam H₂, phản ứng này cần hấp thu nhiệt lượng bằng bao nhiêu?

A. 249,9 kJ

B. 83,3 kJ

C. 41,65 kJ

D. 124,95 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích:

1 gam H₂ ⇒ $n_{H_2}$= $\frac{1}{2}$= 0,5 (mol)

CH₄ (g) + H₂O (l) ⟶ CO (g) + 3H₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 249,9 kJ

Theo phương trình, để thu được 3 mol H₂ cần hấp thu nhiệt lượng 249,9 kJ

⇒ Để thu được 0,5 mol H₂ cần hấp thu nhiệt lượng là: $0,5.249,9:3=41,65$(kJ)

Câu 3

2Na (s) + $\frac{1}{2}$O₂ (g) ⟶ Na₂O (s) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= − 418 kJ

C (s) + O₂ (g) ⟶ CO₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= − 393,5 kJ

CH₄ (g) + 2O₂ (g) ⟶ CO₂ (g) + 2H₂O (l) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= − 890,5 kJ

CaCO₃ (s) ⟶ CaO (s) + CO₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 179,2 kJ

Phản ứng diễn ra khó khăn nhất là

A. 2Na (s) + $\frac{1}{2}$O₂ (g) ⟶ Na₂O

B. C (s) + O₂ (g) ⟶ CO₂ (g)

C. CH₄ (g) + 2O₂ (g) ⟶ CO₂ (g) + 2H₂O (l)

D. CaCO₃ (s) ⟶ CaO (s) + CO₂ (g)

Hiển thị đáp án  

Đáp án: D

Giải thích:

Trong các phản ứng thì phản ứng CaCO₃ (s) ⟶ CaO (s) + CO₂ (g) có ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 179,2 kJ > 0. Các phản ứng còn lại ${\Delta }_r{H}_{298}^0$đều nhỏ hơn 0.

Mà các phản ứng tỏa nhiệt (${\Delta }_r{H}_{298}^0$< 0) thường diễn ra thuận lợi hơn các phản ứng thu nhiệt (${\Delta }_r{H}_{298}^0$> 0).

Do đó, phản ứng CaCO₃ (s) ⟶ CaO (s) + CO₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 179,2 kJ diễn ra khó khăn hơn so với các phản ứng còn lại.

Câu 4.

Công thức tính biến thiên enthalpy phản ứng theo enthalpy tạo thành là

A. ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $m\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(M\right)+n\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(N\right)-a\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(A\right)-b\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(B\right)$

B. ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $m\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(M\right)+n\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(N\right)+a\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(A\right)+b\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(B\right)$

C. ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= ${\Delta }_f{H}_{298}^0\left(M\right)+{\Delta }_f{H}_{298}^0\left(N\right)-{\Delta }_f{H}_{298}^0\left(A\right)-{\Delta }_f{H}_{298}^0\left(B\right)$

D. ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $a\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(A\right)+b\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(B\right)-m\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(M\right)-n\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(N\right)$

Hiển thị đáp án  

Đáp án: A

Giải thích:

Cho phản ứng có dạng: aA + bB ⟶ mM + nN

Công thức tính biến thiên enthalpy phản ứng theo enthalpy tạo thành là:

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = $m\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(M\right)+n\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(N\right)-a\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(A\right)-b\times {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(B\right)$

Câu 5. Cho phản ứng: NH₃ (g) + HCl (g) ⟶ NH₄Cl (s)

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng là

A. – 176,2 kJ

B. – 314,4 kJ

C. – 452,6 kJ

D. 176,2 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: A

Giải thích:

Ta có: ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}\left(\mathrm{s}\right)\right)-{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left(\mathrm{HCl}\left(\mathrm{g}\right)\right)-{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)\right)$

⇒ ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $-314,4-\left(-45,9\right)-\left(-92,3\right)=-176,2$(kJ)

Câu 6

A. – 1270,6 kJ

B. – 1323 kJ

C. – 1218,2 kJ

D. – 1232 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: B

Giải thích:

C₂H₄ (g) + 3O₂ (g) ⟶ 2CO₂ (g) + 2H₂O (g)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ của phản ứng đốt cháy 1 mol C₂H₄ (g) là

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ 

= $2\times {\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)\right)+2\times {\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{g}\right)\right)-3\times {\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)\right)-{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4\left(\mathrm{g}\right)\right)$

${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $2\times \left(-393,5\right)+2\times \left(-241,8\right)-3\times 0-52,4$

${\Delta }_r{H}_{298}^0$= − 1323 (kJ mol⁻¹)

Câu 7.

A. – 566 kJ

B. – 283 kJ

C. − 141,5 kJ

D. – 3962 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: C

Giải thích:

CO (g) + $\frac{1}{2}$O₂ (g) ⟶ CO₂ (g)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ của phản ứng đốt cháy 1 mol CO (g) là

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left({\mathrm{O}}_2\left(\mathrm{g}\right)\right)-{\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{f}}{\mathrm{H}}_{298}^0\left(\mathrm{CO}\left(\mathrm{g}\right)\right)$

${\Delta }_r{H}_{298}^0$= $\left(-393,5\right)-\frac{1}{2}\times 0-\left(-110,5\right)$

${\Delta }_r{H}_{298}^0$= − 283 (kJ mol⁻¹)

14 gam CO có số mol là: n_CO = $\frac{14}{28}$= 0,5 (mol)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ của phản ứng đốt cháy 14 gam CO (g) là: $-283\times 0,5$= − 141,5 (kJ)

Câu 8

Công thức tính biến thiên enthalpy phản ứng theo năng lượng liên kết là

A. ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$= $E_b\left(A\right)+E_b\left(B\right)-E_b\left(M\right)-E_b\left(N\right)$

B. ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$= $\mathrm{a}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{A}\right)+\mathrm{b}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{B}\right)-\mathrm{m}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{M}\right)-\mathrm{n}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{N}\right)$

C. ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$= ${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{M}\right)+{\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{N}\right)-{\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{A}\right)-{\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{B}\right)$

D. ${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$= $\mathrm{m}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{M}\right)+\mathrm{n}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{N}\right)-\mathrm{a}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{A}\right)-\mathrm{b}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{B}\right)$

Hiển thị đáp án  

Đáp án: B

Giải thích:

Cho phản ứng có dạng: aA (g) + bB (g) ⟶ mM (g) + nN (g)

Công thức tính biến thiên enthalpy phản ứng theo năng lượng liên kết là:

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = $\mathrm{a}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{A}\right)+\mathrm{b}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{B}\right)-\mathrm{m}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{M}\right)-\mathrm{n}\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{N}\right)$

Trong đó, E_b(A), E_b(B), E_b(M), E_b(N) lần lượt là tổng năng lượng liên kết của tất cả các liên kết trong các phân tử A, B, M và N.

Câu 9.

H – H (g) + F – F (g) ⟶ 2H – F (g)

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng trên tính theo năng lượng liên kết là

A. – 535 kJ

B. 30 kJ

C. 1160 kJ

D. 535 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: A

Giải thích:

Năng lượng tỏa ra khi hình thành liên kết HF là

${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$ = ${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{H}}_2\right)+{\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{F}}_2\right)-2\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{HF}\right)$= $436+159-2\times 565$= − 535 (kJ)

Câu 10. ${\Delta }_r{H}_{298}^0$

A. 1912 kJ

B. – 1912 kJ

C. 1291 kJ

D. – 1291 kJ

Hiển thị đáp án  

Đáp án: D

Giải thích:

C₂H₄ (g) + 3O₂ (g) ⟶ 2CO₂ (g) + 2H₂O (g)

H₂C = CH₂ + 3O = O ⟶ 2O = C = O + 2H – O – H

${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4\right)=4\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{C}-\mathrm{H}}+{\mathrm{E}}_{\mathrm{C}=\mathrm{C}}=4\times 414+611=2267$ (kJ)

${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{O}}_2\right)={\mathrm{E}}_{\mathrm{O}=\mathrm{O}}=498$ (kJ)

${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{CO}}_2\right)=2\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{C}=\mathrm{O}}=2\times 799=1598$ (kJ)

$E_b\left(H_{2}O\right)=2\times E_{O-H}=2\times 464=928$ (kJ)

${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$ của phản ứng đốt cháy 1 mol C₂H₄ (g) là

${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{r}}{\mathrm{H}}_{298}^0$ = ${\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4\right)+3\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{O}}_2\right)-2\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{CO}}_2\right)-2\times {\mathrm{E}}_{\mathrm{b}}\left({\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\right)$

= $2267+3\times 498-2\times 1598-2\times 928$= − 1291 (kJ mol⁻¹)