Bài học

Enthalpy tạo thành chuẩn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu đúng định nghĩa enthalpy tạo thành chuẩn $\Delta_fH^{\circ}$ của một chất, viết được phương trình tạo thành chuẩn ứng với định nghĩa đó, và đọc/vận dụng được giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ tra từ bảng số liệu.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết cách viết một phương trình nhiệt hoá học đầy đủ trạng thái, hệ số và giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ , kể cả hệ số phân số. Bài này dùng đúng kĩ năng viết phương trình đó cho MỘT loại phản ứng đặc biệt: phản ứng tạo ra đúng 1 mol một chất từ các đơn chất ban đầu.

Bài trước em đã biết cách viết một phương trình nhiệt hoá học đầy đủ trạng thái, hệ số và giá trị $\Delta_rH^{\circ}$, kể cả hệ số phân số. Bài này dùng đúng kĩ năng viết phương trình đó cho MỘT loại phản ứng đặc biệt: phản ứng tạo ra đúng 1 mol một chất từ các đơn chất ban đầu.

Khởi động

Muốn biết một phản ứng tỏa hay thu bao nhiêu năng lượng, chẳng lẽ lần nào cũng phải đưa vào phòng thí nghiệm để đo bằng nhiệt lượng kế? Các nhà hoá học đã lập sẵn một "ngân hàng dữ liệu" cho từng chất, để từ đó tính ΔrH° của gần như MỌI phản ứng chỉ bằng phép cộng trừ đơn giản. Bài này giới thiệu đại lượng làm nền cho ngân hàng dữ liệu đó.

Kiến thức trọng tâm

Enthalpy tạo thành chuẩn của một chất, kí hiệu $\Delta_fH^{\circ}_{298}$ (chữ f nhắc "formation" — tạo thành), là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành ĐÚNG 1 MOL chất đó từ các đơn chất bền ở dạng chuẩn, đo ở 25 °C (298 K) và áp suất 1 bar. Ba từ khoá cần nhớ: đúng 1 mol chất cần xét, xuất phát từ đơn chất (không phải từ hợp chất khác), và đơn chất đó phải ở dạng bền nhất tại điều kiện chuẩn — ví dụ carbon ở dạng than chì (graphite), không phải kim cương; oxygen ở dạng khí O2, không phải khí ozone O3; bromine ở dạng lỏng Br2, không phải dạng khí.

Ví dụ, $\Delta_fH^{\circ}(CO_2, g) = -393{,}5$ kJ/mol chính là $\Delta_rH^{\circ}$ của phương trình $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ — một phản ứng tạo thành chuẩn đúng nghĩa: 1 mol CO2, đi thẳng từ hai đơn chất bền C và O2.

Vì đơn chất bền ở dạng chuẩn không cần "tạo thành" từ đâu khác, người ta QUY ƯỚC $\Delta_fH^{\circ}$ của mọi đơn chất bền ở dạng chuẩn bằng 0 — giống như chọn mực nước biển làm mốc 0 mét khi đo độ cao. Vậy $\Delta_fH^{\circ}(O_2, g) = 0$ , $\Delta_fH^{\circ}(H_2, g) = 0$ , $\Delta_fH^{\circ}(C, graphite) = 0$ , nhưng $\Delta_fH^{\circ}(O_3, g) \neq 0$ vì ozone không phải dạng bền chuẩn của oxygen.

Một số giá trị $\Delta_fH^{\circ}_{298}$ (kJ/mol) thường gặp: CO2(g) = −393,5; H2O(l) = −285,8; H2O(g) = −241,8; CH4(g) = −74,8; CO(g) = −110,5; C2H2(g) = +227,4. Đây là những giá trị đã được đo và công bố sẵn — bài sau sẽ dùng trực tiếp bảng này để tính $\Delta_rH^{\circ}$ của mọi phản ứng liên quan mà không cần đo lại từ đầu.

**Enthalpy tạo thành chuẩn** của một chất, kí hiệu $\Delta_fH^{\circ}_{298}$ (chữ f nhắc "formation" — tạo thành), là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành ĐÚNG 1 MOL chất đó từ các **đơn chất bền ở dạng chuẩn**, đo ở 25 °C (298 K) và áp suất 1 bar. Ba từ khoá cần nhớ: đúng 1 mol chất cần xét, xuất phát từ đơn chất (không phải từ hợp chất khác), và đơn chất đó phải ở dạng bền nhất tại điều kiện chuẩn — ví dụ carbon ở dạng than chì (graphite), không phải kim cương; oxygen ở dạng khí O2, không phải khí ozone O3; bromine ở dạng lỏng Br2, không phải dạng khí. Ví dụ, $\Delta_fH^{\circ}(CO_2, g) = -393{,}5$ kJ/mol chính là $\Delta_rH^{\circ}$ của phương trình $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ — một phản ứng tạo thành chuẩn đúng nghĩa: 1 mol CO2, đi thẳng từ hai đơn chất bền C và O2. Vì đơn chất bền ở dạng chuẩn không cần "tạo thành" từ đâu khác, người ta QUY ƯỚC $\Delta_fH^{\circ}$ của mọi đơn chất bền ở dạng chuẩn bằng 0 — giống như chọn mực nước biển làm mốc 0 mét khi đo độ cao. Vậy $\Delta_fH^{\circ}(O_2, g) = 0$, $\Delta_fH^{\circ}(H_2, g) = 0$, $\Delta_fH^{\circ}(C, graphite) = 0$, nhưng $\Delta_fH^{\circ}(O_3, g) \neq 0$ vì ozone không phải dạng bền chuẩn của oxygen. Một số giá trị $\Delta_fH^{\circ}_{298}$ (kJ/mol) thường gặp: CO2(g) = −393,5; H2O(l) = −285,8; H2O(g) = −241,8; CH4(g) = −74,8; CO(g) = −110,5; C2H2(g) = +227,4. Đây là những giá trị đã được đo và công bố sẵn — bài sau sẽ dùng trực tiếp bảng này để tính $\Delta_rH^{\circ}$ của mọi phản ứng liên quan mà không cần đo lại từ đầu.

Giá trị ΔfH° tại 298 K, 1 bar — số dương duy nhất trong nhóm là C2H2, phần này bàn kĩ hơn ở bài sau.

Vì sao phải "quy ước" $\Delta_fH^{\circ}$ của đơn chất bền chuẩn bằng 0 thay vì đo "enthalpy tuyệt đối" của từng chất? Vì bản thân enthalpy tuyệt đối của một chất là đại lượng KHÔNG THỂ đo trực tiếp bằng bất kì thiết bị nào — người ta chỉ đo được sự chênh lệch enthalpy giữa hai trạng thái. Quy ước một mốc 0 chung (đơn chất bền chuẩn) cho phép mọi phòng thí nghiệm trên thế giới dùng chung một hệ quy chiếu, giống như quy ước mực nước biển làm mốc 0 mét khi đo độ cao địa hình.

Nhìn vào bảng số liệu, dễ thấy phần lớn hợp chất quen thuộc mang $\Delta_fH^{\circ}$ âm — điều này phản ánh đúng thực tế là các hợp chất bền, tồn tại phổ biến trong tự nhiên (nước, carbon dioxide, các oxide thông thường) thường ở mức năng lượng thấp hơn tổng đơn chất tạo ra chúng. Bảng $\Delta_fH^{\circ}$ đầy đủ cho hàng trăm chất được các nhà hoá học đo đạc cẩn thận bằng nhiệt lượng kế (calorimeter) trong nhiều thập kỉ, và được công bố trong các sổ tay hoá học chuẩn (CRC Handbook, NIST) — SGK chỉ trích một phần nhỏ phù hợp với chương trình phổ thông. Vì sao phải "quy ước" $\Delta_fH^{\circ}$ của đơn chất bền chuẩn bằng 0 thay vì đo "enthalpy tuyệt đối" của từng chất? Vì bản thân enthalpy tuyệt đối của một chất là đại lượng KHÔNG THỂ đo trực tiếp bằng bất kì thiết bị nào — người ta chỉ đo được sự chênh lệch enthalpy giữa hai trạng thái. Quy ước một mốc 0 chung (đơn chất bền chuẩn) cho phép mọi phòng thí nghiệm trên thế giới dùng chung một hệ quy chiếu, giống như quy ước mực nước biển làm mốc 0 mét khi đo độ cao địa hình.

Ví dụ

Xác định phương trình tạo thành chuẩn của nước lỏng

1
Viết phương trình tạo thành chuẩn ứng với $\Delta_fH^{\circ}(H_2O, l)$ , và cho biết giá trị này bằng bao nhiêu nếu biết đốt cháy 1 mol H2 tạo H2O(l) tỏa ra 285,8 kJ.
Viết phương trình tạo thành chuẩn ứng với $\Delta_fH^{\circ}(H_2O, l)$, và cho biết giá trị này bằng bao nhiêu nếu biết đốt cháy 1 mol H2 tạo H2O(l) tỏa ra 285,8 kJ.
2
Nước H2O gồm nguyên tố H và O; đơn chất bền dạng chuẩn tương ứng là H2(g) và O2(g).
3
Ta có: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ — đúng 1 mol H2O, hệ số phân số ½O2 là hợp lệ vì đây là phương trình nhiệt hoá học.
Ta có: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ — đúng 1 mol H2O, hệ số phân số ½O2 là hợp lệ vì đây là phương trình nhiệt hoá học.
4
Vậy $\Delta_fH^{\circ}(H_2O, l) = -285{,}8$ kJ/mol — đúng bằng $\Delta_rH^{\circ}$ của phương trình tạo thành chuẩn vừa viết.
Vậy $\Delta_fH^{\circ}(H_2O, l) = -285{,}8$ kJ/mol — đúng bằng $\Delta_rH^{\circ}$ của phương trình tạo thành chuẩn vừa viết.

Ví dụ

Nhận diện phương trình KHÔNG phải phương trình tạo thành chuẩn

1
Trong bốn phương trình sau, phương trình nào biểu diễn ĐÚNG enthalpy tạo thành chuẩn của một chất — và với các phương trình còn lại, hãy chỉ ra lí do sai: (1) $CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ ; (2) $C(kim cương) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ ; (3) $2C(graphite) + 2O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g)$ ; (4) $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ .
Trong bốn phương trình sau, phương trình nào biểu diễn ĐÚNG enthalpy tạo thành chuẩn của một chất — và với các phương trình còn lại, hãy chỉ ra lí do sai: (1) $CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$; (2) $C(kim cương) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$; (3) $2C(graphite) + 2O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g)$; (4) $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$.
2
Chất đầu là CO — một hợp chất, không phải đơn chất — nên đây không phải phương trình tạo thành chuẩn của CO2; đây là một phương trình nhiệt hoá học bình thường khác.
3
Kim cương không phải dạng bền chuẩn của carbon (than chì mới là dạng bền chuẩn), nên đây cũng không phải phương trình tạo thành chuẩn đúng nghĩa dù xuất phát từ đơn chất.
4
Phương trình tạo ra 2 mol CO2, không phải đúng 1 mol theo định nghĩa — nên đây là phương trình tạo thành chuẩn nhân đôi, không phải dạng chuẩn để đọc trực tiếp $\Delta_fH^{\circ}$ .
Phương trình tạo ra 2 mol CO2, không phải đúng 1 mol theo định nghĩa — nên đây là phương trình tạo thành chuẩn nhân đôi, không phải dạng chuẩn để đọc trực tiếp $\Delta_fH^{\circ}$.
5
Vậy chỉ có phương trình (4) $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ thỏa cả ba điều kiện: đúng 1 mol chất cần xét, xuất phát từ đơn chất, và đơn chất ở dạng bền chuẩn — đây mới là phương trình tạo thành chuẩn của CO2.
Vậy chỉ có phương trình (4) $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ thỏa cả ba điều kiện: đúng 1 mol chất cần xét, xuất phát từ đơn chất, và đơn chất ở dạng bền chuẩn — đây mới là phương trình tạo thành chuẩn của CO2.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay quên kiểm tra "dạng bền chuẩn" của đơn chất — nhầm kim cương với than chì, hoặc quên rằng $\Delta_fH^{\circ}$ của một đơn chất bền chuẩn LUÔN bằng 0 (không phải "không xác định" hay bỏ trống). Một lỗi khác là quên yêu cầu "đúng 1 mol" — viết phương trình với hệ số 2, 3 cho chất cần xét rồi vẫn đọc thẳng giá trị bảng, dẫn đến sai gấp đôi, gấp ba.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

ΔfH°(chất) = ΔrH° của phản ứng tạo đúng 1 mol chất đó từ đơn chất bền dạng chuẩn, ở 298 K, 1 bar. ΔfH° của mọi đơn chất bền chuẩn = 0. Luôn kiểm tra ba điều kiện: đúng 1 mol, xuất phát từ đơn chất, đơn chất ở dạng bền chuẩn.

Bài tiếp theo bàn về Ý NGHĨA của dấu ΔfH° — vì sao một số chất mang giá trị dương, và điều đó nói lên điều gì về độ bền của chất.