Bài học

So sánh hai phương pháp và ứng dụng vào nhiên liệu

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em chọn đúng phương pháp tính $\Delta_rH^{\circ}$ (theo $\Delta_fH^{\circ}$ hay theo $E_b$ ) tuỳ theo dữ liệu đề bài, và vận dụng để so sánh hiệu quả tỏa nhiệt của các nhiên liệu quen thuộc.

Sau bài này, em chọn đúng phương pháp tính $\Delta_rH^{\circ}$ (theo $\Delta_fH^{\circ}$ hay theo $E_b$) tuỳ theo dữ liệu đề bài, và vận dụng để so sánh hiệu quả tỏa nhiệt của các nhiên liệu quen thuộc.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này ôn lại và ghép hai công thức đã học: $\Delta_rH^{\circ} = \sum \Delta_fH^{\circ}(sp) - \sum \Delta_fH^{\circ}(cđ)$ (Chương 3) và $\Delta_rH^{\circ} = \sum E_b(\text{phá vỡ}) - \sum E_b(\text{hình thành})$ (bài trước) — hai con đường khác nhau dẫn tới cùng một loại kết quả.

Khởi động

Một đề thi có khi cho bảng $\Delta_fH^{\circ}$ , có khi lại cho bảng năng lượng liên kết $E_b$ — làm sao chọn đúng công thức mà không bị rối, nhất là khi cả hai phương pháp đều cho ra một đại lượng cùng tên $\Delta_rH^{\circ}$ ?

Một đề thi có khi cho bảng $\Delta_fH^{\circ}$, có khi lại cho bảng năng lượng liên kết $E_b$ — làm sao chọn đúng công thức mà không bị rối, nhất là khi cả hai phương pháp đều cho ra một đại lượng cùng tên $\Delta_rH^{\circ}$?

Kiến thức trọng tâm

Chọn phương pháp theo dữ liệu đề cho, không theo sở thích. Dùng phương pháp enthalpy tạo thành khi: đề cho bảng $\Delta_fH^{\circ}$ ; HOẶC phản ứng có chất rắn/lỏng tham gia (phương pháp $E_b$ không áp dụng được trong trường hợp này); HOẶC bài yêu cầu suy ngược một $\Delta_fH^{\circ}$ còn thiếu. Dùng phương pháp năng lượng liên kết khi: đề cho bảng $E_b$ ; VÀ tất cả chất đầu, sản phẩm đều ở thể khí. Nếu đề cho cả hai bảng, hai phương pháp sẽ cho kết quả GẦN NHAU nhưng không nhất thiết trùng khít tuyệt đối — như đã thấy ở bài trước với phản ứng đốt cháy methane (−890,3 kJ theo $\Delta_fH^{\circ}$ với H2O(l), so với −818 kJ theo $E_b$ với H2O(g)) — sự chênh lệch này là bình thường, không phải dấu hiệu tính sai, miễn là mỗi phương pháp được áp dụng đúng điều kiện của nó.

Ứng dụng vào so sánh nhiên liệu. Đốt cháy hoàn toàn 1 mol acetylene C2H2 tỏa 1300,2 kJ, trong khi 1 mol khí gas CH4 chỉ tỏa 890,3 kJ (tính theo $\Delta_fH^{\circ}$ , Chương 3). Trên MỖI MOL, acetylene tỏa nhiệt nhiều hơn hẳn — đây chính là lí do đèn xì oxy-acetylene dùng trong hàn cắt kim loại tạo được ngọn lửa nhiệt độ rất cao (trên 3000 °C), vượt xa ngọn lửa khí gas dân dụng thông thường. Lưu ý: mọi so sánh trong bài này đều tính theo mol, đúng đơn vị mà hai công thức cho ra; so sánh theo khối lượng (gam nhiên liệu) là một câu hỏi khác, cần thêm bước quy đổi qua khối lượng mol và không nằm trong phạm vi chương trình chuẩn của bài học này.

**Chọn phương pháp theo dữ liệu đề cho, không theo sở thích.** Dùng phương pháp enthalpy tạo thành khi: đề cho bảng $\Delta_fH^{\circ}$; HOẶC phản ứng có chất rắn/lỏng tham gia (phương pháp $E_b$ không áp dụng được trong trường hợp này); HOẶC bài yêu cầu suy ngược một $\Delta_fH^{\circ}$ còn thiếu. Dùng phương pháp năng lượng liên kết khi: đề cho bảng $E_b$; VÀ tất cả chất đầu, sản phẩm đều ở thể khí. Nếu đề cho cả hai bảng, hai phương pháp sẽ cho kết quả GẦN NHAU nhưng không nhất thiết trùng khít tuyệt đối — như đã thấy ở bài trước với phản ứng đốt cháy methane (−890,3 kJ theo $\Delta_fH^{\circ}$ với H2O(l), so với −818 kJ theo $E_b$ với H2O(g)) — sự chênh lệch này là bình thường, không phải dấu hiệu tính sai, miễn là mỗi phương pháp được áp dụng đúng điều kiện của nó. **Ứng dụng vào so sánh nhiên liệu.** Đốt cháy hoàn toàn 1 mol acetylene C2H2 tỏa 1300,2 kJ, trong khi 1 mol khí gas CH4 chỉ tỏa 890,3 kJ (tính theo $\Delta_fH^{\circ}$, Chương 3). Trên MỖI MOL, acetylene tỏa nhiệt nhiều hơn hẳn — đây chính là lí do đèn xì oxy-acetylene dùng trong hàn cắt kim loại tạo được ngọn lửa nhiệt độ rất cao (trên 3000 °C), vượt xa ngọn lửa khí gas dân dụng thông thường. Lưu ý: mọi so sánh trong bài này đều tính theo mol, đúng đơn vị mà hai công thức cho ra; so sánh theo khối lượng (gam nhiên liệu) là một câu hỏi khác, cần thêm bước quy đổi qua khối lượng mol và không nằm trong phạm vi chương trình chuẩn của bài học này.

Đề thi tổng hợp thường kiểm tra đúng khả năng LỰA CHỌN này thay vì chỉ kiểm tra khả năng thay số vào công thức có sẵn — vì thay số thì máy tính cũng làm được, còn chọn đúng công thức theo tình huống mới thể hiện em đã hiểu bản chất. Một mẹo nhỏ khi làm bài: gạch chân trạng thái của từng chất ngay khi đọc đề — nếu thấy bất kì kí hiệu (s) hay (l) nào, loại ngay phương pháp năng lượng liên kết ra khỏi lựa chọn, dù đề có cho sẵn bảng $E_b$ đi chăng nữa. Ngược lại, nếu mọi chất đều mang kí hiệu (g) và đề chỉ cho bảng $E_b$ mà không có $\Delta_fH^{\circ}$ , đó là tín hiệu rõ ràng để chọn phương pháp năng lượng liên kết.

Đề thi tổng hợp thường kiểm tra đúng khả năng LỰA CHỌN này thay vì chỉ kiểm tra khả năng thay số vào công thức có sẵn — vì thay số thì máy tính cũng làm được, còn chọn đúng công thức theo tình huống mới thể hiện em đã hiểu bản chất. Một mẹo nhỏ khi làm bài: gạch chân trạng thái của từng chất ngay khi đọc đề — nếu thấy bất kì kí hiệu (s) hay (l) nào, loại ngay phương pháp năng lượng liên kết ra khỏi lựa chọn, dù đề có cho sẵn bảng $E_b$ đi chăng nữa. Ngược lại, nếu mọi chất đều mang kí hiệu (g) và đề chỉ cho bảng $E_b$ mà không có $\Delta_fH^{\circ}$, đó là tín hiệu rõ ràng để chọn phương pháp năng lượng liên kết.

Ví dụ

So sánh hai phương pháp trên cùng phản ứng đốt cháy methane

1
So sánh $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH4 tính theo hai phương pháp: (1) enthalpy tạo thành với sản phẩm H2O(g); (2) năng lượng liên kết. Giải thích vì sao hai kết quả không trùng khít tuyệt đối.
So sánh $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH4 tính theo hai phương pháp: (1) enthalpy tạo thành với sản phẩm H2O(g); (2) năng lượng liên kết. Giải thích vì sao hai kết quả không trùng khít tuyệt đối.
2
Dùng $\Delta_fH^{\circ}(H_2O,g) = -241{,}8$ kJ/mol: $\Delta_rH^{\circ} = [(-393{,}5) + 2(-241{,}8)] - (-74{,}8) = -802{,}3$ kJ. \quad (1)
Dùng $\Delta_fH^{\circ}(H_2O,g) = -241{,}8$ kJ/mol: $\Delta_rH^{\circ} = [(-393{,}5) + 2(-241{,}8)] - (-74{,}8) = -802{,}3$ kJ. \quad (1)
3
$\Delta_rH^{\circ} = 2648 - 3466 = -818$ kJ (từ bài trước). \quad (2)
$\Delta_rH^{\circ} = 2648 - 3466 = -818$ kJ (từ bài trước). \quad (2)
4
Từ (1) và (2): hai kết quả −802,3 kJ và −818 kJ khá gần nhau (chênh khoảng 2%), cùng khẳng định phản ứng tỏa nhiệt mạnh. Sự chênh lệch nhỏ này đến từ việc Eb là giá trị TRUNG BÌNH đo trên nhiều hợp chất khác nhau chứa cùng loại liên kết, không phải giá trị chính xác riêng cho phân tử CH4 hay CO2 cụ thể — trong khi $\Delta_fH^{\circ}$ là giá trị đo trực tiếp cho đúng chất đó.
Từ (1) và (2): hai kết quả −802,3 kJ và −818 kJ khá gần nhau (chênh khoảng 2%), cùng khẳng định phản ứng tỏa nhiệt mạnh. Sự chênh lệch nhỏ này đến từ việc Eb là giá trị TRUNG BÌNH đo trên nhiều hợp chất khác nhau chứa cùng loại liên kết, không phải giá trị chính xác riêng cho phân tử CH4 hay CO2 cụ thể — trong khi $\Delta_fH^{\circ}$ là giá trị đo trực tiếp cho đúng chất đó.
5
Vậy cả hai phương pháp đều cho kết quả hợp lí và nhất quán về dấu, độ lớn — chênh lệch nhỏ giữa chúng là điều bình thường, không phải sai sót.

Ví dụ

So sánh nhiệt tỏa ra của CH4 và C2H2 và liên hệ ứng dụng đèn xì

1
Biết đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH4 tỏa 890,3 kJ, đốt cháy hoàn toàn 1 mol C2H2 tỏa 1300,2 kJ. Giải thích vì sao đèn xì oxy-acetylene tạo được nhiệt độ hàn cắt cao hơn hẳn so với đèn dùng khí gas dân dụng (thành phần chính CH4).
2
Ta có: $1300{,}2 > 890{,}3$ (kJ/mol), suy ra mỗi mol C2H2 cháy giải phóng nhiều năng lượng hơn hẳn mỗi mol CH4 cháy — chênh lệch khoảng 410 kJ/mol.
Ta có: $1300{,}2 > 890{,}3$ (kJ/mol), suy ra mỗi mol C2H2 cháy giải phóng nhiều năng lượng hơn hẳn mỗi mol CH4 cháy — chênh lệch khoảng 410 kJ/mol.
3
Nhiệt lượng tỏa ra càng lớn trên cùng một lượng khí cháy trong cùng thời gian, nhiệt độ ngọn lửa càng cao (bỏ qua các yếu tố khác như tốc độ cháy, lượng khí thải hấp thụ nhiệt).
4
Vậy vì mỗi mol C2H2 tỏa nhiệt nhiều hơn CH4, ngọn lửa đèn xì oxy-acetylene đạt nhiệt độ cao hơn hẳn (thực tế có thể vượt 3000 °C), đủ để hàn, cắt được cả kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao.

Sai lầm thường gặp

Lỗi hay gặp nhất là TRỘN LẪN hai phương pháp giữa chừng — lấy $\Delta_fH^{\circ}$ của một chất rồi lại lấy $E_b$ của chất khác trong cùng một phép tính; hai đại lượng không cùng "ngôn ngữ" nên không được trộn. Lỗi khác là dùng công thức $E_b$ cho phản ứng có H2O(l) — phải đổi sang H2O(g) hoặc chuyển hẳn sang phương pháp $\Delta_fH^{\circ}$ . Một lỗi tinh vi hơn: thấy hai kết quả hơi lệch nhau rồi vội kết luận một trong hai phương pháp "sai", trong khi đây chỉ là sai số bình thường của giá trị $E_b$ trung bình.

Lỗi hay gặp nhất là TRỘN LẪN hai phương pháp giữa chừng — lấy $\Delta_fH^{\circ}$ của một chất rồi lại lấy $E_b$ của chất khác trong cùng một phép tính; hai đại lượng không cùng "ngôn ngữ" nên không được trộn. Lỗi khác là dùng công thức $E_b$ cho phản ứng có H2O(l) — phải đổi sang H2O(g) hoặc chuyển hẳn sang phương pháp $\Delta_fH^{\circ}$. Một lỗi tinh vi hơn: thấy hai kết quả hơi lệch nhau rồi vội kết luận một trong hai phương pháp "sai", trong khi đây chỉ là sai số bình thường của giá trị $E_b$ trung bình.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chọn phương pháp theo dữ liệu đề cho và trạng thái chất — không trộn lẫn hai phương pháp trong cùng phép tính. So sánh nhiên liệu luôn tính trên mỗi mol. Chênh lệch nhỏ giữa hai phương pháp là bình thường vì Eb là giá trị trung bình.

Bài ôn tập cuối khoá sẽ tổng hợp toàn bộ bốn chương: tỏa/thu nhiệt, phương trình nhiệt hoá học, enthalpy tạo thành và năng lượng liên kết, qua một đề luyện tổng hợp theo đúng dạng đề kiểm tra.