BÀI 14: TÍNH BIẾN THIÊN ENTHALPY CỦA PHẢN ỨNG HOÁ HỌC

MỞ ĐẦU

Methane cháy toả nhiệt lớn nên được dùng làm nhiên liệu. Khi trộn methane và oxygen với tỉ lệ thích hợp thì sẽ tạo ra hỗn hợp nổ.

Biến thiên enthalpy của phản ứng trên được tính toán dựa trên các giá trị nào?

Giải nhanh:

- Cách 1: Dựa vào nhiệt tạo thành chuẩn của các chất

- Cách 2: Dựa vào năng lượng liên kết của các chất.

1. XÁC ĐỊNH BIẾN THIÊN ENTHALPY CỦA PHẢN ỨNG DỰA VÀO NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT

Thảo luận 1: Quan sát hình 14.1 cho biết liên kết hóa học nào bị phá vỡ, liên kết hóa học nào được hình thành khi H₂ phản ứng với O₂ tạo thành H₂O (ở thế khí)?

Giải nhanh:

Phá vỡ liên kết H – H và O = O. Hình thành liên kết H – O – H.

Thảo luận 2: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết phải viết được ông thức cấu tạo của tất cả các chất trong phản ứng để xác định số lượng và loại liên kết. Xác định số lượng và loại liên kết. Xác định số lượng mỗi loại liên kết trong các phân tử sau: CH₄, CH₃Cl, NH₃, CO₂

Giải nhanh:

Thảo luận 3: Dựa vào năng lượng liên kết ở bảng 14.2, tính biến thiên enthalpy của phản ứng và giải thích vì sao nitrogen (N=N) chỉ phản ứng với oxygen (O=O) ở nhiệt độ cao hoặc có tia lửa điện để tạo thành nitrogen monxide (N=O).

N₂(g) + O₂(g)  t°/tia lửa điện→  2NO(g)

Giải nhanh:

Năng lượng thu: 945+498 = 1443 kJ

Năng lượng toả: 2x607 = 1214 kJ

Biến thiên enthalpy: 1443-1214 = 229 kJ > 0, phản ứng thu nhiệt.

Luyện tập: Xác định ∆_rH298o của phản ứng sau dựa vào giá trị E_b, ở bảng 14.2:

CH₄(g) + Cl₂(g)  askt→   CH₃Cl(g) + HCl

Hãy cho biết phản ứng trên tỏa nhiệt hay thu nhiệt?

Giải nhanh:

Năng lượng thu: 4x413+243 = 1895 kJ

Năng lượng toả: 3x413+339+427 = 2005 kJ

Biến thiên enthalpy: 1895-2005 = -110 kJ < 0, phản ứng toả nhiệt.

Vận dụng: Dựa vào số liệu về năng lượng liên kết ở bảng 14.1, hãy tính biến thiên enthalpy của 2 phản ứng sau:

2H₂(g) + O₂(g)  t°→  2H₂O(g) (1)

C₇H₁₆(g) + 10O₂(g)  t°→  7CO₂(g) + 8H₂O(g) (2)

So sánh kết quả thu được từ đó cho biết H₂ hay C₇H₁₆ là nhiên liệu hiệu quả hơn cho biết tên lửa (biết trong C₇H₁₆ có 6 liên kết C-C và 16 liên kết C-H)

Giải nhanh:

Biến thiên enthalpy: Ở (1) bằng -506 kJ; ở (2) bằng -3734 kJ.

H₂ hiệu quả hơn vì nó có nhiệt cháy rất cao (= -506 kJ). 

Luyện tập: Tính ∆_rH298o của hai phản ứng sau:

3O₂(g) → 2O₃(g) (1)

2O₃(g) → 3O₂(g) (2)

Liên kết giữa giá trị ∆_rH298o với độ bền của O₃, O₂ và giải thích biết phân tử O₃ gồm 1 liên kết đôi O=O và 1 liên kết đơn O-O

Giải nhanh:

Phản ứng 1: ∆_rH298o = 90 kJ. Phản ứng 2: ∆_rH298o = -90 kJ.

∆_rH298o > 0 chứng tỏ không có khả năng tồn tại; ∆_rH298o < 0 chứng tỏ có tồn tại của O₂ nên đó là trạng thái bền của oxygen.

2. XÁC ĐỊNH BIẾN THIÊN ENTHALPY CỦA PHẢN ỨNG DỰA VÀO ENTHALPY TẠO THÀNH

Vận dụng: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng phân hủy trinitroglycerin (C₃H₅O₃ (NO₂)₃) theo phương trình sau ( biết nhiệt tạo thành của nitroglycerin là -370, 15 kJ/ mol)

4C₃H₅O₃(NO₂)₃(s)  t°→  6N₂(g) + 12CO₂ (g) + 10H₂O + O₂(g);

Hãy giải thích vì sao trinitroglycerin được ứng dụng làm thành phần thuốc súng không khói.

Giải nhanh:

Do ∆_rH298o = -5659,6 kJ <<0, phản ứng toả nhiệt mạnh, phản ứng tạo ra các chất khí là CO₂, H₂O, N₂ và O₂.

Thảo luận 4: Giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng có liên quan tới hệ số các chất trong chương trình nhiệt hóa học không? Giá trị enthalpy tạo thành thường được đo ở điều kiện nào?

Giải nhanh:

Có liên quan và đo ở điều kiện chuẩn.

Luyện tập: Dựa vào giá trị enthalpy tạo thành ở Bảng 13.1, hãy tính giá trị của ∆_rH298o của các phản ứng sau:

CS₂ + 3O₂(g)  t°→  CO₂(g) + 2SO₂(g)  (1)

4NH₃(g) + 3O₂(g)  t°→  2N₂(g) + 6H₂O(g) (2)

Giải nhanh:

(1) ∆_rH298o = -393,50 + 2x(-296,8) -87,9 = -1075 kJ.

(2) ∆_rH298o = 6x(-241,82) – 4x(-45,90) = -1267,32 kJ.

BÀI TẬP

Bài 1: Tính ∆_rH298o của các phản ứng sau dựa theo năng lượng liên kết (sử dụng số liệu từ bảng 14.1):

a) N₂H₄(g) → N₂(g) + 2H₂(g)

b) 4HCl(g) + O₂(g)  t°→  2Cl₂(g) + 2H₂O(g)

Giải nhanh:

a) ∆_rH298o = 4x391 +418 – 945 – 2x432 = 173 kJ

b) ∆_rH298o = 4x427 + 498 – 2x243 – 2x467 = 786 kJ

Bài 2: Dựa vào bảng 13.1, tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol benzene C₆H₆(l) trong khí oxygen, tạo thành CO₂(g) và H₂O(l). So sánh lượng nhiệt sinh ra khi đốt hoàn toàn 1,0 g propane C₃H₈(g) với lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1,0g benzene C₆H₆(l).

Giải nhanh:

PTHH: C₆H₆(l) + 152O₂(g)  t°→  6CO₂(g) + 3H₂O(g)

∆_rH298o = 6x(-393,50) + 3x(-241,82) – 49 = -3037,46 kJ

C₃H₈(g) + 5O₂ → 3CO₂(g) + 4H₂O(g)

∆_rH298o =3x(-393,50) + 4x(-241,82) - 105 = -2042,78 kJ

n_propane = 144 → ∆_rH298o=-2042,7844=-46,42 kJ 

n_benzene = 178 → ∆_rH298o=-3037,4678=-38,94 kJ.

Vậy lượng nhiệt sinh ra khi đốt 1 g C₃H₈ nhiều hơn. 

Bài 3: Dựa vào enthalpy tạo thành ở Bảng 13.1, tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt nhôm:

2Al(s) + Fe₂O₃(s)  t°→  2Fe(s) + Al₂O₃(s)

Từ kết quả tính được ở trên, hãy rút ra ý nghĩa của dấu và giá trị ∆_rH298o đối với phản ứng.

Giải nhanh:

∆_rH298o = -1676,00 – (-825,50) = -850,5 kJ

Giá trị ∆_rH298o càng âm thì phản ứng càng thuận lợi xảy ra.

Bài 4: Cho phương trình nhiệt hóa học sau:

SO₂(g) + 12O₂(g)  t°, V2O5→  SO₃(g); ∆_rH298o= -98,5kJ

a) Tính lượng nhiệt giải phóng ra khi chuyển 74,6g SO₂ thành SO₃

b) Giá trị ∆_rH298o của phản ứng SO₃(g) → SO₂(g) + 12O₂(g) là bao nhiêu?

Giải nhanh:

a) Số mol SO₂ là 1,125 mol. Lượng nhiệt giải phóng: -98,5x1,125 = -110,81 kJ

b) ∆_rH298o = 98,5 kJ

Bài 5: Khí hydrogen cháy trong không khí tạo thành nước theo phương trình hoá học sau:

2H₂(g) + O₂(g)  t°→  2H₂O(g)  ∆_fH298o = -483,64 kJ

a) Nước hay hỗn hợp của oxygen và hydrogen có năng lượng lớn hơn? Giải thích.

b) Vẽ sơ đồ biến thiên năng lượng của phản ứng giữa hydrogen và oxygen.

Giải nhanh:

a) Nước lớn hơn vì ∆_fH298o < 0.

b) 

Bài 6: Xét quá trình đốt cháy khí propane C₃H₈(g):

C₃H₈(g) + 5O₂  t°→  3CO₂(g) + 4H₂O(g)

Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào nhiệt tạo thành của hợp chất (bảng 13.1) và dựa vào năng lượng liên kết (Bảng 14.1). So sánh hai giá trị đó và rút ra kết luận.

Giải nhanh:

a) ∆_rH298o = 3x(-393,50) + 4x(-241,82) – 105 = -2042,78 kJ

b) ∆_fH298o = 8x413 + 2x347 + 5x498 – 3x2x745 – 4x2x467 = -1718 kJ

Biến thiên enthalpy chuẩn dựa vào nhiệt tạo thành âm hơn so với biến thiên enthalpy chuẩn dựa vào năng lượng liên kết -1718 kJ