3 · Physical chemistry

Ba câu hỏi quyết định xem một phản ứng có hữu ích hay không: nó tỏa nhiệt hay hấp thụ nhiệt, tốc độ diễn ra nhanh chậm thế nào, và phản ứng có hoàn tất không? Hóa lý giải đáp chúng — nhiệt lượng kế và Q = mcΔT, thuyết va chạm với bốn yếu tố ảnh hưởng, và cân bằng động mà phản ứng thuận nghịch đạt được trong bình kín.

Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Phần 3 (các phát biểu 3.1–3.22C) ngắn gọn nhưng chứa nhiều phép tính. Các phát biểu có hậu tố C chỉ dành riêng cho môn Hóa học.

Phản ứng tỏa nhiệt giải phóng nhiệt (cháy, trung hòa, hầu hết phản ứng thế) — hỗn hợp nóng lên, ΔH mang dấu âm. Phản ứng thu nhiệt hấp thụ nhiệt (phân hủy nhiệt, một số quá trình hòa tan) — hỗn hợp lạnh đi. Nhiệt lượng kế đơn giản: đo sự thay đổi nhiệt độ của một khối lượng đã biết (cốc polystyrene cho dung dịch; bấc cồn đặt dưới cốc thủy tinh đựng nước để đo phản ứng cháy).

Ví dụ minh họa. 50 g nước nóng lên 24 °C trong thí nghiệm bấc cồn: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ J. Nếu 0.010 mol nhiên liệu bị đốt cháy: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

(C) Phá vỡ liên kết là quá trình thu nhiệt; hình thành liên kết là quá trình tỏa nhiệt. ΔH = năng lượng phá vỡ liên kết − năng lượng hình thành liên kết. Ví dụ minh họa. H₂ + Cl₂ → 2HCl: phá vỡ 436 + 242 = 678; hình thành 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 kJ/mol (tỏa nhiệt).

Các thí nghiệm theo dõi một phản ứng có thể quan sát được: thể tích khí (đá vôi + axit), giảm khối lượng trên cân, hoặc chữ X biến mất (natri thiosulfat + axit). Bốn yếu tố ảnh hưởng: diện tích bề mặt của chất rắn, nồng độ (hoặc áp suất khí), nhiệt độ, và xúc tác.

Lý thuyết va chạm giải thích tất cả: phản ứng cần va chạm với ít nhất năng lượng hoạt hóa. Bột cung cấp diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn → nhiều va chạm mỗi giây; nồng độ hoặc áp suất cao hơn ép các hạt gần nhau hơn → va chạm thường xuyên hơn; nhiệt độ cao hơn làm các hạt chuyển động nhanh hơn → va chạm vừa thường xuyên hơn vừa năng lượng hơn — chỉ có yếu tố này mới làm tăng tỷ lệ va chạm thành công. Chất xúc tác cung cấp lối đi thay thế với năng lượng hoạt hóa thấp hơn → nhiều va chạm thành công hơn — và không bị biến đổi về mặt hóa học ở cuối quá trình; nó không thay đổi lượng sản phẩm, chỉ thay đổi tốc độ hình thành sản phẩm.

Phản ứng thuận nghịch (⇌) diễn ra theo hai chiều: đồng(II) sunfat ngậm nước ⇌ muối không ngậm nước + nước (nhiệt thúc đẩy chiều thuận, nước đảo ngược chiều); amoni clorua ⇌ amoniac + hydro clorua khi nung nóng. (C) Trong bình kín, hệ đạt cân bằng động: tốc độ thuận và nghịch bằng nhau, và nồng độ của tất cả các chất giữ nguyên — cả hai phản ứng vẫn tiếp tục diễn ra.

(C) Nhiệt độ tăng → cân bằng dịch chuyển theo chiều hấp热; áp suất tăng → dịch chuyển về phía bên có ít mol khí hơn; chất xúc tác làm tăng tốc độ cả hai chiều như nhau và không làm thay đổi vị trí cân bằng.

1. Phân loại là tỏa nhiệt hay hấp热: phản ứng cháy, phân hủy nhiệt, trung hòa.
2. 100 g nước làm mát đi 8.0 °C trong thí nghiệm hòa tan. Tính Q.
3. (C) Nêu dấu của ΔH đối với việc phá liên kết và tạo liên kết.
4. Sử dụng năng lượng liên kết để tìm ΔH cho 2H₂ + O₂ → 2H₂O (H–H 436, O=O 498, O–H 463 kJ/mol).
5. Tại sao đá vôi dạng bột phản ứng nhanh hơn với axit so với một viên đá lớn?
6. Yếu tố điều chỉnh tốc độ nào làm tăng tỷ lệ va chạm thành công, và tại sao?
7. Định nghĩa chất xúc tác.
8. (C) Nêu hai đặc điểm của cân bằng động.
9. (C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: việc tăng áp suất sẽ làm gì, và tại sao?
10. (C) Tại sao chất xúc tác không làm thay đổi vị trí cân bằng?

Đáp án: 1 tỏa nhiệt (cháy), thu nhiệt (phân hủy nhiệt), tỏa nhiệt (trung hòa); 2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ J hấp thụ — nước lạnh đi, nên quá trình hòa tan là thu nhiệt; 3 (C) phá vỡ mang giá trị dương (thu nhiệt), hình thành mang giá trị âm (tỏa nhiệt); 4 phá vỡ: 2(436) + 498 = 1370; hình thành: 4(463) = 1852; ΔH = 1370 − 1852 = −482 kJ/mol (mỗi 2 mol H₂O); 5 bột có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều, nên số va chạm với axit mỗi giây tăng lên; 6 nhiệt độ — các hạt chuyển động nhanh hơn va chạm thường xuyên hơn VÀ số va chạm vượt qua năng lượng hoạt hóa tăng lên; 7 chất làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không bị thay đổi về mặt hóa học sau cùng; 8 (C) tốc độ thuận và nghịch bằng nhau; nồng độ của tất cả các chất không đổi; 9 (C) dịch chuyển sang phải — 4 mol khí ở phía trái, 2 ở phía phải, nên áp suất cao ưu tiên phía có ít mol hơn.

Đáp án tiếp theo: 10 (C) vì nó làm giảm năng lượng hoạt hóa của cả chiều thuận và nghịch như nhau, làm tăng tốc độ cả hai chiều mà không làm thay đổi sự cân bằng giữa chúng.