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

Tài liệu này dạy Phản ứng 1.2, Chu trình năng lượng trong phản ứng, cho khóa học được đánh giá lần đầu tiên vào 2025.

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.

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

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

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

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 $-890\ \text{kJ mol}^{-1}$.

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.

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:

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):

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.

1. Giải thích, dựa trên cơ sở liên kết, tại sao phản ứng cháy metan tỏa nhiệt.
2. Sử dụng enthalpy liên kết (H–H 436, Cl–Cl 242, H–Cl 431 kJ mol$^{-1}$) để tính $\Delta H$ cho $\text{H}_2(\text{g}) + \text{Cl}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{HCl}(\text{g})$.
3. 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 $\text{C}_2\text{H}_4(\text{g}) + \text{H}_2(\text{g}) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6(\text{g})$.
4. 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.
5. Nêu định luật Hess.
6. 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 $\text{S}(\text{s}) + \tfrac{3}{2}\text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{SO}_3(\text{g})$.

Đáp án.

1. 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.
2. Bị phá vỡ: $436 + 242 = 678$. Được hình thành: $2 \times 431 = 862$. $\Delta H = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}$.
3. 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. $\Delta H = 1050 - 1174 = -124\ \text{kJ mol}^{-1}$.
4. 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.
5. Biến thiên enthalpy của phản ứng độc lập với lộ trình thực hiện, miễn là điều kiện đầu và cuối giống nhau.
6. Giữ nguyên phương trình thứ nhất và chia đôi phương trình thứ hai: $\Delta H = -297 + \tfrac{1}{2}(-198) = -297 - 99 = -396\ \text{kJ mol}^{-1}$.

• 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 $\Delta H$.