Tính phản ứng 1.2 · Chu trình năng lượng trong phản ứng

Tổ chức Baccalaureate Quốc tế · IB Diploma · Chemistry · HL · Chủ đề 13

Xem Slides Luyện tập

13.1

Phạm vi và yêu cầu tiên quyết

Tài liệu này dạy về Tính hoạt động 1.2, Chu trình năng lượng trong phản ứng, cho khóa học được đánh giá lần đầu tiên vào 2025. Các phần được đánh dấu AHL chỉ dành cho Level Cao.

Kiến thức nền tảng: biến thiên enthalpy, phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt, cùng phương pháp đo nhiệt lượng từ Tính hoạt động 1.1; liên kết cộng hóa trị từ Cấu trúc 2.2; enthalpy mạng tinh thể và năng lượng ion hóa từ Cấu trúc 2.1 và 1.3. Bạn sẽ sử dụng enthalpy liên kết và dữ liệu enthalpy từ sổ tay số liệu.

13.2

Enthalpy liên kết

Năng lượng của phản ứng đến từ đâu?

Đốt cháy một mol metan trong bếp gas giải phóng khoảng $800\ \text{kJ}$. Không có nguyên tử nào được tạo ra hay tiêu hủy, nên năng lượng phải đến từ liên kết: các liên kết trong sản phẩm bền hơn các liên kết trong chất phản ứng. Đơn vị này hướng dẫn cách tính biến thiên enthalpy từ dữ liệu liên kết và từ chu kỳ năng lượng khi chúng không thể đo trực tiếp.

Phá và tạo liên kết

Phá liên kết cần năng lượng: quá trình phá liên kết là thu nhiệt.
Tạo liên kết giải phóng năng lượng: quá trình tạo liên kết là tỏa nhiệt.

Enthalpy liên kết là năng lượng cần thiết để phá một mol liên kết cộng hóa trị, với các chất ở trạng thái khí. Giá trị này luôn dương. Ví dụ, $\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{H}(\text{g})$, $\Delta H = +436\ \text{kJ mol}^{-1}$.

Giá trị đối với một loại liên kết như C–H khác nhau đôi chút tùy vào từng phân tử, nên sổ tay số liệu cung cấp enthalpy liên kết trung bình: giá trị trung bình trên nhiều hợp chất.

Tính $\Delta H$ từ enthalpy liên kết

$$\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds formed})$$

Ví dụ đã giải: $\text{CH}_4(\text{g}) + 2\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g}) + 2\text{H}_2\text{O}(\text{g})$.

Liên kết bị phá	Năng lượng / kJ	Liên kết được tạo	Năng lượng / kJ
4 C–H: $4 \times 414$	1656	2 C=O: $2 \times 804$	1608
2 O=O: $2 \times 498$	996	4 O–H: $4 \times 463$	1852
Tổng cộng	2652	Tổng cộng	3460

$\Delta H = 2652 - 3460 = -808\ \text{kJ mol}^{-1}$. Năng lượng giải phóng khi tạo liên kết lớn hơn năng lượng cần để phá liên kết, do đó phản ứng tỏa nhiệt.

Sơ đồ năng lượng: từ CH4 + 2O2 tại mức 0, phá vỡ liên kết đưa hệ thống lên các nguyên tử khí ở +2652; hình thành liên kết đưa hệ thống xuống CO2 + 2H2O ở −808 kJ/mol — Mọi liên kết đều bị phá thành nguyên tử khí, sau đó các liên kết mới hình thành; $\Delta H$ chính là sự chênh lệch

Tại sao đáp án chỉ mang tính xấp xỉ

Giá trị đo được cho phản ứng này là $-802\ \text{kJ mol}^{-1}$ (với nước ở dạng khí). Đáp án dựa trên enthalpy liên kết khác vì:

Enthalpy liên kết trung bình được sử dụng, không phải giá trị chính xác của các phân tử cụ thể này;
Enthalpy liên kết chỉ áp dụng cho chất khí. Nếu chất ở dạng lỏng hoặc rắn, năng lượng cần thiết để thay đổi trạng thái bị bỏ sót. Với nước lỏng là sản phẩm, giá trị thực tế là $-890\ \text{kJ mol}^{-1}$.

Từ vựng Luyện tập

English	Tiếng Việt
energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/	Chu trình năng lượng
bond enthalpy/bɒnd enˈθælpi/	hệ số nhiệt liên kết
average bond enthalpy	hệ số nhiệt liên kết trung bình
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/	Định luật Hess
standard enthalpy change of formation	biến thiên enthalpy tạo thành tiêu chuẩn
standard enthalpy change of combustion	biến thiên enthalpy cháy tiêu chuẩn
Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/	chu trình Born–Haber
enthalpy of atomization	enthalpy nguyên tử hóa

13.3

Định luật Hess

Bắt đầu và kết thúc như nhau

Định luật Hess: độ biến thiên enthalpy của một phản ứng là như nhau bất kể con đường nào được chọn, miễn là điều kiện ban đầu và cuối cùng giống nhau. Enthalpy là hàm trạng thái: nó chỉ phụ thuộc vào điểm bắt đầu và điểm kết thúc, giống như sự chênh lệch độ cao giữa chân và đỉnh núi, bất kể bạn leo theo con đường nào.

Điều này cho phép bạn tính toán độ biến thiên enthalpy mà không thể đo trực tiếp. Xây dựng một chu trình năng lượng với phản ứng mục tiêu ở một nhánh và các phản ứng có $\Delta H$ đã biết ở nhánh còn lại.

Sơ đồ Hess: các nguyên tố chuyển trực tiếp thành metan, hoặc cả hai đều bị đốt cháy thành CO₂ và nước, với −394 + 2(−286) và −890 kJ/mol trên hai lộ trình — Cùng điểm xuất phát, cùng điểm kết thúc: ΔHf = −394 + 2(−286) − (−890) = −76 kJ/mol

Làm việc với phương trình

Bạn cũng có thể kết hợp trực tiếp các phương trình, tương tự như đại số:

Nếu bạn đảo ngược một phương trình, đổi dấu của $\Delta H$.
Nếu bạn nhân một phương trình với một hằng số, nhân $\Delta H$ với cùng hằng số đó.
Cộng các phương trình và giá trị $\Delta H$ của chúng; các chất xuất hiện ở cả hai vế sẽ triệt tiêu.

Ví dụ minh họa: tìm $\Delta H$ cho $\text{C}(\text{s}) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}(\text{g})$, điều không thể đo được vì luôn có một phần $\text{CO}_2$ hình thành.

(1) $\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g})$, $\Delta H = -394\ \text{kJ mol}^{-1}$
(2) $\text{CO}(\text{g}) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g})$, $\Delta H = -283\ \text{kJ mol}^{-1}$

Giữ nguyên (1) và đảo ngược (2): $\text{CO}_2 \rightarrow \text{CO} + \tfrac{1}{2}\text{O}_2$, $\Delta H = +283$. Khi cộng chúng, $\text{CO}_2$ triệt tiêu và $\tfrac{1}{2}\text{O}_2$ còn lại ở vế trái:

$$\Delta H = -394 + 283 = -111\ \text{kJ mol}^{-1}$$

Ví dụ minh họa: ba phương trình

Tìm $\Delta H$ cho $2\text{C}(\text{s}) + \text{H}_2(\text{g}) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2(\text{g})$, biết rằng:

(1) $\text{C}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CO}_2(\text{g})$, $\Delta H = -394$
(2) $\text{H}_2(\text{g}) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$, $\Delta H = -286$
(3) $\text{C}_2\text{H}_2(\text{g}) + \tfrac{5}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{CO}_2(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{l})$, $\Delta H = -1301$

Lấy $2 \times (1)$ (hai C ở vế trái), $1 \times (2)$, và đảo ngược (3) ($\text{C}_2\text{H}_2$ ở vế phải):

$$\Delta H = 2(-394) + (-286) + 1301 = +227\ \text{kJ mol}^{-1}$$

Kiểm tra xem oxy, $\text{CO}_2$ và nước có triệt tiêu hay không: $\tfrac{5}{2}\text{O}_2$ ở cả hai vế, $2\text{CO}_2$ ở cả hai vế, một $\text{H}_2\text{O}$ ở mỗi vế.

13.4

AHL: Chu trình tạo thành và đốt cháy

Độ biến thiên enthalpy chuẩn

Điều kiện chuẩn là $100\ \text{kPa}$ và nhiệt độ xác định, thường là $298\ \text{K}$, được viết bằng ký hiệu $\ominus$.

Thay đổi enthalpy tạo thành chuẩn, $\Delta H_f^\ominus$, là thay đổi enthalpy khi một mol chất tạo thành từ các nguyên tố của nó ở trạng thái chuẩn. Đối với một nguyên tố ở trạng thái chuẩn, $\Delta H_f^\ominus = 0$.
Thay đổi enthalpy đốt cháy chuẩn, $\Delta H_c^\ominus$, là thay đổi enthalpy khi một mol chất cháy hoàn toàn trong oxy dưới điều kiện chuẩn.

Sử dụng dữ liệu tạo thành

Khi $\Delta H_f^\ominus$ giá trị đã biết cho mọi chất, sử dụng quy tắc sản phẩm trừ tác chất, xuất phát từ chu trình qua các nguyên tố:

$$\Delta H^\ominus = \sum \Delta H_f^\ominus(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\ominus(\text{reactants})$$

Ví dụ minh họa: phản ứng đốt cháy ethanol, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}(\text{l}) + 3\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{CO}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2\text{O}(\text{l})$. Dữ liệu: $\Delta H_f^\ominus$ ethanol $-278$, $\text{CO}_2$ $-394$, $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ $-286\ \text{kJ mol}^{-1}$; $\text{O}_2$ là nguyên tố, do đó 0.

$$\Delta H_c^\ominus = [2(-394) + 3(-286)] - [(-278) + 0] = -1646 + 278 = -1368\ \text{kJ mol}^{-1}$$

Sử dụng dữ liệu đốt cháy

Khi có các giá trị đốt cháy, các mũi tên trong chu trình chỉ xuống phía sản phẩm đốt cháy, và quy tắc đảo ngược:

$$\Delta H^\ominus = \sum \Delta H_c^\ominus(\text{reactants}) - \sum \Delta H_c^\ominus(\text{products})$$

Ví dụ minh họa: sự tạo thành methane, $\text{C}(\text{s}) + 2\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow \text{CH}_4(\text{g})$. Dữ liệu: $\Delta H_c^\ominus$ carbon $-394$, hydro $-286$, methane $-890\ \text{kJ mol}^{-1}$.

$$\Delta H_f^\ominus = [(-394) + 2(-286)] - (-890) = -966 + 890 = -76\ \text{kJ mol}^{-1}$$

Đây là chu trình trong hình Law Hess ở trên.

13.5

AHL: Chu trình Born–Haber

Enthalpy mạng tinh thể từ một chu trình

Enthalpy mạng tinh thể không thể đo trực tiếp, vì bạn không thể tách tinh thể thành các ion khí trong một bước. Một chu trình Born–Haber là một chu trình năng lượng để tạo hợp chất ion từ các nguyên tố, thông qua các nguyên tử khí và các ion khí. Tất cả các bước khác đều có thể đo được, nên enthalpy mạng tinh thể có thể được tính toán.

Các bước cho natri clorua:

Bước	Quá trình	$\Delta H$ / kJ mol$^{-1}$
atom hóa Na	$\text{Na}(\text{s}) \rightarrow \text{Na}(\text{g})$	$+107$
atom hóa Cl	$\tfrac{1}{2}\text{Cl}_2(\text{g}) \rightarrow \text{Cl}(\text{g})$	$+121$
năng lượng ion hóa thứ nhất của Na	$\text{Na}(\text{g}) \rightarrow \text{Na}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$	$+496$
ái lực electron thứ nhất của Cl	$\text{Cl}(\text{g}) + \text{e}^{-} \rightarrow \text{Cl}^{-}(\text{g})$	$-349$
tạo thành NaCl	$\text{Na}(\text{s}) + \tfrac{1}{2}\text{Cl}_2(\text{g}) \rightarrow \text{NaCl}(\text{s})$	$-411$
enthalpy mạng tinh thể	$\text{NaCl}(\text{s}) \rightarrow \text{Na}^{+}(\text{g}) + \text{Cl}^{-}(\text{g})$	?

Enthalpy nguyên tử hóa là độ biến thiên enthalpy để tạo thành một mol nguyên tử khí từ nguyên tố ở trạng thái chuẩn. Đối với clo, nó bằng một nửa enthalpy liên kết Cl–Cl, vì một mol nguyên tử Cl đến từ một nửa mol $\text{Cl}_2$.

Chu trình Born–Haber cho NaCl được vẽ đúng tỷ lệ: từ các nguyên tố ở mức năng lượng không, quá trình nguyên tử hóa của Na (+107) và Cl (+121) cùng điện ly lần đầu của Na (+496) dẫn đến Na+(g) + e− + Cl(g) tại +724; ái lực electron của Cl (−349) giảm xuống Na+(g) + Cl−(g) tại +375; hình thành (−411) đi từ các nguyên tố xuống NaCl(s); enthalpy mạng tinh thể hướng lên từ NaCl(s) đến các ion khí, +786 — Hai đường đi từ NaCl(s) đến các ion khí có tổng độ biến thiên enthalpy bằng nhau

Tính toán enthalpy mạng tinh thể

Vòng quanh chu trình, đường đi từ $\text{NaCl}(\text{s})$ đến các ion khí trực tiếp phải bằng đường đi ngược lại qua các nguyên tố:

$$\Delta H_{\text{latt}} = -\Delta H_f^\ominus + \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}(\text{Na}) + \text{EA}(\text{Cl})$$

$$\Delta H_{\text{latt}} = 411 + 107 + 121 + 496 - 349 = +786\ \text{kJ mol}^{-1}$$

Giá trị trong sổ dữ liệu, $790\ \text{kJ mol}^{-1}$, chỉ khác biệt do làm tròn số liệu.

Đối với hợp chất nhóm 2 như $\text{MgO}$, chu trình bao gồm cả điện ly lần đầu và thứ hai của magiê, cùng ái lực electron lần đầu và thứ hai của oxi. Ái lực electron thứ hai mang giá trị dương: việc thêm một electron vào $\text{O}^{-}$ đòi hỏi phải đẩy nó chống lại điện tích âm đã tồn tại.

13.6

Luyện tập

Giải thích, dựa trên cơ sở liên kết, tại sao phản ứng cháy metan tỏa nhiệt.
Sử dụng enthalpy liên kết (H–H 436, Cl–Cl 242, H–Cl 431 kJ mol$^{-1}$) để tính $\Delta H$ cho $\text{H}_2(\text{g}) + \text{Cl}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{HCl}(\text{g})$.
Sử dụng enthalpy liên kết (C=C 614, H–H 436, C–C 346, C–H 414 kJ mol$^{-1}$) để tính $\Delta H$ cho $\text{C}_2\text{H}_4(\text{g}) + \text{H}_2(\text{g}) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6(\text{g})$.
Đưa ra hai lý do giải thích tại sao độ biến thiên enthalpy tính toán từ enthalpy liên kết trung bình lại khác so với giá trị đo thực nghiệm.
Nêu định luật Hess.
Cho biết $\text{S}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{SO}_2(\text{g})$, $\Delta H = -297$, và $2\text{SO}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{SO}_3(\text{g})$, $\Delta H = -198\ \text{kJ mol}^{-1}$, hãy tính $\Delta H$ cho $\text{S}(\text{s}) + \tfrac{3}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{SO}_3(\text{g})$.
AHL. Sử dụng các giá trị $\Delta H_f^\ominus$ ($\text{NH}_3$ $-46$, $\text{NO}$ $+90$, $\text{H}_2\text{O}(\text{g})$ $-242\ \text{kJ mol}^{-1}$) để tính $\Delta H^\ominus$ cho $4\text{NH}_3(\text{g}) + 5\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow 4\text{NO}(\text{g}) + 6\text{H}_2\text{O}(\text{g})$.
AHL. Sử dụng $\Delta H_c^\ominus$ (C $-394$, $\text{H}_2$ $-286$, $\text{C}_2\text{H}_6$ $-1560\ \text{kJ mol}^{-1}$) để tính $\Delta H_f^\ominus$ của etan.
AHL. Viết phương trình, kèm ký hiệu trạng thái, cho ái lực electron lần đầu của oxi và enthalpy mạng tinh thể của magiê oxit.
AHL. Dữ liệu KCl: $\Delta H_{\text{at}}$(K) $+89$, $\Delta H_{\text{at}}$(Cl) $+121$, IE(K) $+419$, EA(Cl) $-349$, $\Delta H_f^\ominus$(KCl) $-437\ \text{kJ mol}^{-1}$. Tính enthalpy mạng tinh thể của KCl.

Đáp án.

Các liên kết bị phá vỡ: 4 C–H và 2 O=O cần $2652\ \text{kJ}$. Các liên kết được hình thành: 2 C=O và 4 O–H giải phóng $3460\ \text{kJ}$. Năng lượng giải phóng khi tạo liên kết mới lớn hơn năng lượng tiêu thụ để phá vỡ liên kết cũ.
Bị phá vỡ: $436 + 242 = 678$. Được hình thành: $2 \times 431 = 862$. $\Delta H = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}$.
Phá vỡ: C=C 614 và H–H 436, tổng 1050 (bốn liên kết C–H không bị phá vỡ). Tạo thành: C–C 346 và hai liên kết C–H mới $2 \times 414 = 828$, tổng 1174. $\Delta H = 1050 - 1174 = -124\ \text{kJ mol}^{-1}$.
Enthalpy liên kết trung bình là giá trị trung bình qua nhiều hợp chất, không phải giá trị riêng cho các phân tử này; enthalpy liên kết áp dụng cho khí, do đó bất kỳ chất lỏng hay rắn nào đều cần thêm năng lượng để chuyển trạng thái.
Biến thiên enthalpy của phản ứng độc lập với lộ trình thực hiện, miễn là điều kiện đầu và cuối giống nhau.
Giữ nguyên phương trình thứ nhất và chia đôi phương trình thứ hai: $\Delta H = -297 + \tfrac{1}{2}(-198) = -297 - 99 = -396\ \text{kJ mol}^{-1}$.
AHL. $[4(+90) + 6(-242)] - [4(-46) + 0] = (360 - 1452) - (-184) = -1092 + 184 = -908\ \text{kJ mol}^{-1}$.
AHL. $2\text{C} + 3\text{H}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6$: $\Delta H_f^\ominus = [2(-394) + 3(-286)] - (-1560) = -1646 + 1560 = -86\ \text{kJ mol}^{-1}$.
AHL. $\text{O}(\text{g}) + \text{e}^{-} \rightarrow \text{O}^{-}(\text{g})$; $\text{MgO}(\text{s}) \rightarrow \text{Mg}^{2+}(\text{g}) + \text{O}^{2-}(\text{g})$.
AHL. $\Delta H_{\text{latt}} = 437 + 89 + 121 + 419 - 349 = +717\ \text{kJ mol}^{-1}$ (sổ tay dữ liệu 720).

13.7

Mẹo làm bài thi

Vỡ liên kết là quá trình thu nhiệt và tạo liên kết là quá trình tỏa nhiệt; hãy viết "vỡ trừ tạo thành" trước khi thay số.
Đếm tất cả các liên kết: vẽ công thức cấu trúc, và bỏ qua các liên kết không bị vỡ.
Enthalpy liên kết dành cho khí; hãy nêu rõ điều này khi giải thích tại sao giá trị tính toán khác biệt.
Khi đảo ngược phương trình, đổi dấu; khi nhân phương trình, nhân $\Delta H$.
AHL. Dữ liệu hình thành: sản phẩm trừ chất tham gia. Dữ liệu đốt cháy: chất tham gia trừ sản phẩm.
AHL. Các nguyên tố ở trạng thái chuẩn có $\Delta H_f^\ominus = 0$; đừng quên hệ số.
AHL. Theo quy ước IB, enthalpy mạng tinh thể là quá trình tách rời endothermic từ rắn sang ion khí, vì vậy nó mang giá trị dương.

Nhiều chủ đề hơn trong Tổ chức Baccalaureate Quốc tế · IB Diploma · Chemistry · HL