Bài học

Ý nghĩa và ứng dụng của enthalpy tạo thành

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được ý nghĩa của dấu $\Delta_fH^{\circ}$ đối với độ bền tương đối của một chất, và vận dụng bảng dữ liệu $\Delta_fH^{\circ}$ để so sánh các chất với nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học định nghĩa và cách viết phương trình tạo thành chuẩn. Bài này khai thác thêm ý nghĩa của chính con số đó — không chỉ dùng để tính toán mà còn để so sánh và giải thích tính chất thực tế của chất.

Khởi động

Khí acetylene (C2H2, khí đất đèn) cháy nổ mạnh hơn hẳn khí gas dân dụng thông thường mà thợ hàn vẫn dùng để hàn cắt kim loại. Nhìn vào bảng $\Delta_fH^{\circ}$ ở bài trước — C2H2(g) mang giá trị dương +227,4 kJ/mol, còn CH4(g) mang giá trị âm −74,8 kJ/mol — con số này có giải thích được vì sao acetylene lại nguy hiểm hơn không?

Kiến thức trọng tâm

Dấu âm ( $\Delta_fH^{\circ} < 0$ ): chất được tạo thành GIẢI PHÓNG năng lượng so với đơn chất ban đầu, nghĩa là chất đó "chứa" ít năng lượng hơn tổng các đơn chất tạo ra nó — nói cách khác, chất này BỀN hơn, ở mức năng lượng thấp hơn. CO2, H2O, CH4 đều mang $\Delta_fH^{\circ}$ âm, phù hợp với thực tế: đây là những chất bền, khó bị phân huỷ ngược trở lại thành đơn chất nếu không cấp năng lượng lớn.

Dấu dương ( $\Delta_fH^{\circ} > 0$ ): chất được tạo thành phải NHẬN năng lượng từ môi trường, nghĩa là chất đó "chứa" nhiều năng lượng hơn tổng các đơn chất ban đầu — chất này KÉM BỀN hơn, ở mức năng lượng cao hơn, thường dễ phản ứng tiếp để giải phóng bớt năng lượng dư đó. Acetylene C2H2 với $\Delta_fH^{\circ} = +227{,}4$ kJ/mol là ví dụ điển hình: phân tử này "tích trữ" sẵn một lượng năng lượng lớn ngay từ khi hình thành, nên khi cháy tiếp (hoặc phân huỷ), nó giải phóng một lượng nhiệt rất lớn trong thời gian ngắn — đó là lí do khí đất đèn dễ gây nổ mạnh hơn khí gas thông thường.

Lưu ý quan trọng cần phân biệt: $\Delta_fH^{\circ}$ KHÔNG PHẢI là "nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy chất đó" (gọi là nhiệt cháy). Với carbon, phản ứng tạo thành CO2 từ C và O2 tình cờ CŨNG chính là phản ứng đốt cháy carbon, nên hai giá trị trùng nhau — nhưng đó là trường hợp đặc biệt. Với CH4, phản ứng tạo thành CH4 (từ C và H2) hoàn toàn khác phản ứng đốt cháy CH4 (với O2 tạo CO2 và H2O) — hai phản ứng khác chất tham gia, nên hai giá trị ΔrH° cũng khác nhau hoàn toàn. Bài học sau sẽ tính đúng nhiệt cháy bằng công thức riêng, không được lấy nhầm $\Delta_fH^{\circ}(CH_4)$ làm nhiệt cháy của CH4.

Bảng $\Delta_fH^{\circ}$ vì vậy vừa là công cụ tính toán (bài sau), vừa là một "thước đo độ bền tương đối" nhanh: giữa hai oxide của cùng nguyên tố, oxide nào có $\Delta_fH^{\circ}$ âm hơn (nhỏ hơn) thì bền hơn — ví dụ $\Delta_fH^{\circ}(SO_2, g) = -296{,}8$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(SO_3, g) = -395{,}7$ kJ/mol cho biết SO3 ở mức năng lượng thấp hơn SO2 rất nhiều tính trên 1 mol.

**Dấu âm** ($\Delta_fH^{\circ} < 0$): chất được tạo thành GIẢI PHÓNG năng lượng so với đơn chất ban đầu, nghĩa là chất đó "chứa" ít năng lượng hơn tổng các đơn chất tạo ra nó — nói cách khác, chất này BỀN hơn, ở mức năng lượng thấp hơn. CO2, H2O, CH4 đều mang $\Delta_fH^{\circ}$ âm, phù hợp với thực tế: đây là những chất bền, khó bị phân huỷ ngược trở lại thành đơn chất nếu không cấp năng lượng lớn. **Dấu dương** ($\Delta_fH^{\circ} > 0$): chất được tạo thành phải NHẬN năng lượng từ môi trường, nghĩa là chất đó "chứa" nhiều năng lượng hơn tổng các đơn chất ban đầu — chất này KÉM BỀN hơn, ở mức năng lượng cao hơn, thường dễ phản ứng tiếp để giải phóng bớt năng lượng dư đó. Acetylene C2H2 với $\Delta_fH^{\circ} = +227{,}4$ kJ/mol là ví dụ điển hình: phân tử này "tích trữ" sẵn một lượng năng lượng lớn ngay từ khi hình thành, nên khi cháy tiếp (hoặc phân huỷ), nó giải phóng một lượng nhiệt rất lớn trong thời gian ngắn — đó là lí do khí đất đèn dễ gây nổ mạnh hơn khí gas thông thường. **Lưu ý quan trọng cần phân biệt**: $\Delta_fH^{\circ}$ KHÔNG PHẢI là "nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy chất đó" (gọi là nhiệt cháy). Với carbon, phản ứng tạo thành CO2 từ C và O2 tình cờ CŨNG chính là phản ứng đốt cháy carbon, nên hai giá trị trùng nhau — nhưng đó là trường hợp đặc biệt. Với CH4, phản ứng tạo thành CH4 (từ C và H2) hoàn toàn khác phản ứng đốt cháy CH4 (với O2 tạo CO2 và H2O) — hai phản ứng khác chất tham gia, nên hai giá trị ΔrH° cũng khác nhau hoàn toàn. Bài học sau sẽ tính đúng nhiệt cháy bằng công thức riêng, không được lấy nhầm $\Delta_fH^{\circ}(CH_4)$ làm nhiệt cháy của CH4. Bảng $\Delta_fH^{\circ}$ vì vậy vừa là công cụ tính toán (bài sau), vừa là một "thước đo độ bền tương đối" nhanh: giữa hai oxide của cùng nguyên tố, oxide nào có $\Delta_fH^{\circ}$ âm hơn (nhỏ hơn) thì bền hơn — ví dụ $\Delta_fH^{\circ}(SO_2, g) = -296{,}8$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(SO_3, g) = -395{,}7$ kJ/mol cho biết SO3 ở mức năng lượng thấp hơn SO2 rất nhiều tính trên 1 mol.

Khi làm bài tập so sánh nhiều chất, cách trình bày chuẩn là liệt kê các giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ theo thứ tự tăng dần, rồi kết luận trực tiếp: giá trị càng nhỏ (càng âm) tương ứng với chất càng bền. Tránh chỉ nói "chất A bền hơn chất B" mà không nêu rõ căn cứ là dựa vào so sánh hai giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ nào — đây là một yêu cầu trình bày mà đề thi thường chấm điểm riêng.

Ý nghĩa của dấu $\Delta_fH^{\circ}$ còn giải thích được nhiều hiện tượng khác trong đời sống. Thuốc nổ TNT, nitroglycerin đều là những hợp chất có $\Delta_fH^{\circ}$ dương rất lớn — chúng "tích trữ" sẵn một lượng năng lượng khổng lồ ngay trong cấu trúc phân tử, nên khi bị kích nổ (phân huỷ cực nhanh thành các sản phẩm bền hơn nhiều như CO2, N2, H2O), toàn bộ phần chênh lệch năng lượng đó được giải phóng gần như tức thời, tạo ra vụ nổ. Ngược lại, những chất có $\Delta_fH^{\circ}$ càng âm, càng bền, càng "trơ" về mặt hoá học — đó là lí do vì sao CO2 sinh ra sau mọi phản ứng cháy hầu như không phản ứng tiếp được nữa trong điều kiện thường. Khi làm bài tập so sánh nhiều chất, cách trình bày chuẩn là liệt kê các giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ theo thứ tự tăng dần, rồi kết luận trực tiếp: giá trị càng nhỏ (càng âm) tương ứng với chất càng bền. Tránh chỉ nói "chất A bền hơn chất B" mà không nêu rõ căn cứ là dựa vào so sánh hai giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ nào — đây là một yêu cầu trình bày mà đề thi thường chấm điểm riêng.

Ví dụ

So sánh độ bền tương đối của CO2 và C2H2

1
Biết $\Delta_fH^{\circ}(CO_2, g) = -393{,}5$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(C_2H_2, g) = +227{,}4$ kJ/mol. So sánh độ bền tương đối của hai chất và giải thích chất nào "giàu năng lượng" hơn.
Biết $\Delta_fH^{\circ}(CO_2, g) = -393{,}5$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(C_2H_2, g) = +227{,}4$ kJ/mol. So sánh độ bền tương đối của hai chất và giải thích chất nào "giàu năng lượng" hơn.
2
Ta có: $\Delta_fH^{\circ}(CO_2) < 0$ nên CO2 giải phóng năng lượng khi hình thành từ đơn chất — CO2 ở mức năng lượng thấp, khá bền. $\Delta_fH^{\circ}(C_2H_2) > 0$ nên C2H2 phải nhận năng lượng khi hình thành — C2H2 ở mức năng lượng cao, kém bền hơn.
Ta có: $\Delta_fH^{\circ}(CO_2) < 0$ nên CO2 giải phóng năng lượng khi hình thành từ đơn chất — CO2 ở mức năng lượng thấp, khá bền. $\Delta_fH^{\circ}(C_2H_2) > 0$ nên C2H2 phải nhận năng lượng khi hình thành — C2H2 ở mức năng lượng cao, kém bền hơn.
3
Suy ra C2H2 "giàu năng lượng" hơn CO2 rất nhiều — chênh lệch giữa hai giá trị lên tới $227{,}4 - (-393{,}5) = 620{,}9$ kJ/mol.
Suy ra C2H2 "giàu năng lượng" hơn CO2 rất nhiều — chênh lệch giữa hai giá trị lên tới $227{,}4 - (-393{,}5) = 620{,}9$ kJ/mol.
4
Vậy CO2 bền hơn, còn C2H2 kém bền và giàu năng lượng hơn — phù hợp với thực tế C2H2 dễ phản ứng, dễ cháy nổ mạnh hơn nhiều so với CO2 (một chất gần như trơ về mặt phản ứng thông thường).

Ví dụ

So sánh độ bền của SO2 và SO3 theo bảng dữ liệu

1
Cho $\Delta_fH^{\circ}(SO_2, g) = -296{,}8$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(SO_3, g) = -395{,}7$ kJ/mol. (a) Oxide nào bền hơn? (b) Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $SO_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow SO_3(g)$ và cho biết đây là phản ứng tỏa hay thu nhiệt.
Cho $\Delta_fH^{\circ}(SO_2, g) = -296{,}8$ kJ/mol và $\Delta_fH^{\circ}(SO_3, g) = -395{,}7$ kJ/mol. (a) Oxide nào bền hơn? (b) Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $SO_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow SO_3(g)$ và cho biết đây là phản ứng tỏa hay thu nhiệt.
2
Ta có: $\Delta_fH^{\circ}(SO_3) = -395{,}7$ kJ/mol âm hơn $\Delta_fH^{\circ}(SO_2) = -296{,}8$ kJ/mol, nên SO3 ở mức năng lượng thấp hơn — SO3 bền hơn SO2.
Ta có: $\Delta_fH^{\circ}(SO_3) = -395{,}7$ kJ/mol âm hơn $\Delta_fH^{\circ}(SO_2) = -296{,}8$ kJ/mol, nên SO3 ở mức năng lượng thấp hơn — SO3 bền hơn SO2.
3
Phản ứng này chính là bước chuyển từ 1 mol SO2 (mức năng lượng −296,8 kJ/mol) sang 1 mol SO3 (mức năng lượng −395,7 kJ/mol), nên $\Delta_rH^{\circ} = \Delta_fH^{\circ}(SO_3) - \Delta_fH^{\circ}(SO_2) = -395{,}7 - (-296{,}8) = -98{,}9$ kJ.
Phản ứng này chính là bước chuyển từ 1 mol SO2 (mức năng lượng −296,8 kJ/mol) sang 1 mol SO3 (mức năng lượng −395,7 kJ/mol), nên $\Delta_rH^{\circ} = \Delta_fH^{\circ}(SO_3) - \Delta_fH^{\circ}(SO_2) = -395{,}7 - (-296{,}8) = -98{,}9$ kJ.
4
Vậy: (a) SO3 bền hơn SO2. (b) $\Delta_rH^{\circ} = -98{,}9$ kJ, phản ứng tỏa nhiệt — hợp lí vì sản phẩm SO3 ở mức năng lượng thấp hơn chất đầu SO2.
Vậy: (a) SO3 bền hơn SO2. (b) $\Delta_rH^{\circ} = -98{,}9$ kJ, phản ứng tỏa nhiệt — hợp lí vì sản phẩm SO3 ở mức năng lượng thấp hơn chất đầu SO2.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất là coi $\Delta_fH^{\circ}$ của một chất chính là "nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy chất đó" — hai đại lượng này chỉ trùng nhau trong trường hợp đặc biệt (như carbon), còn nói chung là hai phản ứng hoàn toàn khác nhau. Lỗi khác: nghĩ $\Delta_fH^{\circ}$ dương nghĩa là chất "không tồn tại được" — thực ra C2H2 vẫn là một khí tồn tại và sử dụng phổ biến, chỉ là kém bền và dễ phản ứng giải phóng năng lượng hơn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

ΔfH° âm → chất bền hơn, mức năng lượng thấp. ΔfH° dương → chất kém bền hơn, giàu năng lượng, thường dễ phản ứng tiếp. ΔfH° KHÔNG phải là nhiệt cháy — hai đại lượng chỉ trùng nhau trong trường hợp đặc biệt như carbon.

Bài tiếp theo dùng chính các giá trị $\Delta_fH^{\circ}$ này để TÍNH $\Delta_rH^{\circ}$ của bất kì phản ứng nào có đủ dữ liệu — không cần đo trực tiếp bằng nhiệt lượng kế.