Bài học

Phương trình nhiệt hóa học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng một phương trình nhiệt hoá học — đầy đủ trạng thái chất, hệ số cân bằng và giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ — và vận dụng được hai tính chất quan trọng của nó: giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ tỉ lệ theo hệ số phương trình, và đảo chiều phản ứng thì đổi dấu $\Delta_rH^{\circ}$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết dấu của $\Delta_rH^{\circ}$ cho biết phản ứng tỏa hay thu nhiệt. Từ lớp 8–9, em cũng đã quen với việc cân bằng một phương trình hoá học (PTHH) thông thường và ghi trạng thái chất bằng kí hiệu (s) rắn, (l) lỏng, (g) khí, (aq) dung dịch. Bài này ghép hai kĩ năng đó lại thành một dạng phương trình mới, mang thêm thông tin năng lượng.

Khởi động

Cùng là phản ứng đốt cháy khí hydrogen tạo nước lỏng, có tài liệu viết $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ , có tài liệu lại viết $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ . Hai cách viết có cho cùng một giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ hay không?

Cùng là phản ứng đốt cháy khí hydrogen tạo nước lỏng, có tài liệu viết $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$, có tài liệu lại viết $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$. Hai cách viết có cho cùng một giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ hay không?

Kiến thức trọng tâm

Phương trình nhiệt hoá học là một PTHH đã cân bằng, có ghi đầy đủ trạng thái của từng chất, kèm theo giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ ở điều kiện chuẩn (thường 298 K, 1 bar) viết ngay sau phương trình. Ví dụ: $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l)$ $\Delta_rH^{\circ} = -890{,}3$ kJ.

Trạng thái chất KHÔNG phải chi tiết phụ — nó quyết định giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ . Cùng là nước tạo thành, nước lỏng H2O(l) và hơi nước H2O(g) mang enthalpy khác nhau (hơi nước "giàu năng lượng" hơn vì phải nhận thêm nhiệt hoá hơi), nên hai phương trình chỉ khác nhau trạng thái của nước cũng cho hai giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ khác nhau. Ghi thiếu trạng thái là ghi thiếu một phần dữ kiện của bài toán.

Tính chất 1 — tỉ lệ theo hệ số. Enthalpy là một đại lượng tỉ lệ với lượng chất (đại lượng dung độ), nên khi nhân đôi mọi hệ số của phương trình, giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ cũng nhân đôi theo: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -285{,}8$ kJ, thì $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -571{,}6$ kJ — đúng gấp đôi. Vì tính chất này, phương trình nhiệt hoá học ĐƯỢC PHÉP dùng hệ số phân số (như $\frac{1}{2}O_2$ ), khác với thói quen "hệ số nguyên nhỏ nhất" của PTHH thông thường.

Tính chất 2 — đảo chiều thì đổi dấu. Phản ứng thuận $CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)$ có $\Delta_rH^{\circ} = +178{,}3$ kJ (thu nhiệt), thì phản ứng nghịch — vôi tôi hấp thụ CO2 trở lại thành đá vôi — $CaO(s) + CO_2(g) \rightarrow CaCO_3(s)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -178{,}3$ kJ (tỏa nhiệt), đúng bằng giá trị đối nhau. Điều này hợp lí: năng lượng hệ CẦN để đi theo một chiều đúng bằng năng lượng hệ TRẢ LẠI khi đi theo chiều ngược lại.

**Phương trình nhiệt hoá học** là một PTHH đã cân bằng, có ghi đầy đủ trạng thái của từng chất, kèm theo giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ ở điều kiện chuẩn (thường 298 K, 1 bar) viết ngay sau phương trình. Ví dụ: $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l)$ $\Delta_rH^{\circ} = -890{,}3$ kJ. Trạng thái chất KHÔNG phải chi tiết phụ — nó quyết định giá trị $\Delta_rH^{\circ}$. Cùng là nước tạo thành, nước lỏng H2O(l) và hơi nước H2O(g) mang enthalpy khác nhau (hơi nước "giàu năng lượng" hơn vì phải nhận thêm nhiệt hoá hơi), nên hai phương trình chỉ khác nhau trạng thái của nước cũng cho hai giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ khác nhau. Ghi thiếu trạng thái là ghi thiếu một phần dữ kiện của bài toán. **Tính chất 1 — tỉ lệ theo hệ số.** Enthalpy là một đại lượng tỉ lệ với lượng chất (đại lượng dung độ), nên khi nhân đôi mọi hệ số của phương trình, giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ cũng nhân đôi theo: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -285{,}8$ kJ, thì $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -571{,}6$ kJ — đúng gấp đôi. Vì tính chất này, phương trình nhiệt hoá học ĐƯỢC PHÉP dùng hệ số phân số (như $\frac{1}{2}O_2$), khác với thói quen "hệ số nguyên nhỏ nhất" của PTHH thông thường. **Tính chất 2 — đảo chiều thì đổi dấu.** Phản ứng thuận $CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)$ có $\Delta_rH^{\circ} = +178{,}3$ kJ (thu nhiệt), thì phản ứng nghịch — vôi tôi hấp thụ CO2 trở lại thành đá vôi — $CaO(s) + CO_2(g) \rightarrow CaCO_3(s)$ có $\Delta_rH^{\circ} = -178{,}3$ kJ (tỏa nhiệt), đúng bằng giá trị đối nhau. Điều này hợp lí: năng lượng hệ CẦN để đi theo một chiều đúng bằng năng lượng hệ TRẢ LẠI khi đi theo chiều ngược lại.

Một điểm cần lưu ý thêm: giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ ghi trong phương trình nhiệt hoá học luôn ngầm hiểu đo ở điều kiện chuẩn (298 K, 1 bar) trừ khi đề nói rõ điều kiện khác (như nhiệt độ cao trong lò công nghiệp). Với chương trình lớp 10, hầu hết bài toán chỉ làm việc ở điều kiện chuẩn, nên em có thể áp dụng trực tiếp giá trị tra bảng mà không cần hiệu chỉnh gì thêm.

Cách viết này cũng xuất hiện ngoài đời — nhãn năng lượng của bình gas hoá lỏng LPG thường ghi kèm "nhiệt trị" theo đơn vị kJ trên kilogam, bản chất chính là $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng đốt cháy đã quy đổi từ mol sang khối lượng. Hiểu đúng phương trình nhiệt hoá học giúp em đọc được cả những con số kĩ thuật quen thuộc đó, không chỉ để giải bài tập trong sách.

Việc trình bày đúng phương trình nhiệt hoá học không chỉ là hình thức — trong phòng thi, một phương trình thiếu trạng thái hoặc thiếu giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ thường bị trừ điểm trình bày dù phần tính toán phía sau vẫn đúng, vì đây được xem là một bước độc lập cần chuẩn xác ngay từ đầu. Thói quen tốt là viết xong phương trình, đọc lại một lượt, tự hỏi ba câu: đã cân bằng chưa, đã đủ trạng thái chưa, đã có giá trị và đơn vị $\Delta_rH^{\circ}$ chưa — rồi mới chuyển sang bước tính toán tiếp theo. Một điểm cần lưu ý thêm: giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ ghi trong phương trình nhiệt hoá học luôn ngầm hiểu đo ở điều kiện chuẩn (298 K, 1 bar) trừ khi đề nói rõ điều kiện khác (như nhiệt độ cao trong lò công nghiệp). Với chương trình lớp 10, hầu hết bài toán chỉ làm việc ở điều kiện chuẩn, nên em có thể áp dụng trực tiếp giá trị tra bảng mà không cần hiệu chỉnh gì thêm. Cách viết này cũng xuất hiện ngoài đời — nhãn năng lượng của bình gas hoá lỏng LPG thường ghi kèm "nhiệt trị" theo đơn vị kJ trên kilogam, bản chất chính là $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng đốt cháy đã quy đổi từ mol sang khối lượng. Hiểu đúng phương trình nhiệt hoá học giúp em đọc được cả những con số kĩ thuật quen thuộc đó, không chỉ để giải bài tập trong sách.

Ví dụ

Viết phương trình nhiệt hoá học cho phản ứng đốt cháy hydrogen

1
Biết khi đốt cháy hoàn toàn 2 mol khí hydrogen tạo nước lỏng, phản ứng tỏa ra 571,6 kJ. Viết phương trình nhiệt hoá học ứng với 1 mol H2 phản ứng.
2
Ta có: $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = -571{,}6$ kJ (dấu âm vì đề cho biết phản ứng tỏa nhiệt).
Ta có: $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = -571{,}6$ kJ (dấu âm vì đề cho biết phản ứng tỏa nhiệt).
3
Muốn hệ số của H2 là 1, ta chia toàn bộ phương trình — và giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ — cho 2: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = \frac{-571{,}6}{2} = -285{,}8$ kJ.
Muốn hệ số của H2 là 1, ta chia toàn bộ phương trình — và giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ — cho 2: $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = \frac{-571{,}6}{2} = -285{,}8$ kJ.
4
Vậy phương trình nhiệt hoá học ứng với 1 mol H2 là $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = -285{,}8$ kJ.
Vậy phương trình nhiệt hoá học ứng với 1 mol H2 là $H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = -285{,}8$ kJ.

Ví dụ

Tính nhiệt lượng theo khối lượng và viết phương trình nghịch

1
Cho phương trình nhiệt hoá học: $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ $\Delta_rH^{\circ} = -393{,}5$ kJ. (a) Tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 24 gam carbon (biết M(C) = 12 g/mol). (b) Viết phương trình nhiệt hoá học cho phản ứng phân huỷ CO2 thành C và O2, cho biết dấu $\Delta_rH^{\circ}$ mới.
Cho phương trình nhiệt hoá học: $C(graphite) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)$ $\Delta_rH^{\circ} = -393{,}5$ kJ. (a) Tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 24 gam carbon (biết M(C) = 12 g/mol). (b) Viết phương trình nhiệt hoá học cho phản ứng phân huỷ CO2 thành C và O2, cho biết dấu $\Delta_rH^{\circ}$ mới.
2
Ta có: $n_C = \frac{m}{M} = \frac{24}{12} = 2$ mol.
Ta có: $n_C = \frac{m}{M} = \frac{24}{12} = 2$ mol.
3
Theo phương trình, 1 mol C phản ứng tỏa 393,5 kJ. Suy ra 2 mol C tỏa ra $Q = 2 \times 393{,}5 = 787$ kJ.
Theo phương trình, 1 mol C phản ứng tỏa 393,5 kJ. Suy ra 2 mol C tỏa ra $Q = 2 \times 393{,}5 = 787$ kJ.
4
Do đó phản ứng nghịch (phân huỷ CO2) là $CO_2(g) \rightarrow C(graphite) + O_2(g)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = +393{,}5$ kJ — đổi dấu so với phản ứng thuận, và là phản ứng thu nhiệt (hợp lí, vì CO2 rất bền, cần rất nhiều năng lượng mới phân huỷ được trở lại thành đơn chất).
Do đó phản ứng nghịch (phân huỷ CO2) là $CO_2(g) \rightarrow C(graphite) + O_2(g)$ \quad $\Delta_rH^{\circ} = +393{,}5$ kJ — đổi dấu so với phản ứng thuận, và là phản ứng thu nhiệt (hợp lí, vì CO2 rất bền, cần rất nhiều năng lượng mới phân huỷ được trở lại thành đơn chất).
5
Vậy: (a) đốt cháy 24 gam carbon tỏa ra 787 kJ. (b) phương trình nghịch có $\Delta_rH^{\circ} = +393{,}5$ kJ, là phản ứng thu nhiệt.
Vậy: (a) đốt cháy 24 gam carbon tỏa ra 787 kJ. (b) phương trình nghịch có $\Delta_rH^{\circ} = +393{,}5$ kJ, là phản ứng thu nhiệt.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là quên ghi trạng thái chất — nhất là quên phân biệt H2O(l) với H2O(g), khiến tra sai giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ ở bài sau. Lỗi thứ hai là nhân đôi hệ số phương trình nhưng QUÊN nhân đôi luôn giá trị $\Delta_rH^{\circ}$ đi kèm — hai đại lượng này luôn phải thay đổi cùng nhau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phương trình nhiệt hoá học = PTHH cân bằng + trạng thái đầy đủ + giá trị ΔrH° kèm đơn vị kJ, ở 298 K và 1 bar. Nhân hệ số thì nhân ΔrH° theo đúng tỉ lệ. Đảo chiều phản ứng thì đổi dấu ΔrH°. Được phép dùng hệ số phân số.

Bài tiếp theo dùng đúng cách viết này để định nghĩa một đại lượng gốc — enthalpy tạo thành chuẩn của mỗi chất — nền tảng để tính $\Delta_rH^{\circ}$ của rất nhiều phản ứng mà không cần đo trực tiếp.