Phản ứng thu nhiệt và tỏa nhiệt trong HSC Chemistry

Một học sinh đốt ethanol bên dưới một cốc nước. Nước nóng lên \(18^\circ\text{C}\). Trong một thí nghiệm khác, học sinh đó hòa tan một chất rắn ion màu trắng vào nước, và nhiệt độ giảm \(6^\circ\text{C}\).

Cả hai thí nghiệm đều có sự truyền năng lượng. Nhưng sự thay đổi nhiệt độ mà bạn đo được thuộc về môi trường xung quanh, chứ không trực tiếp thuộc về phản ứng.

Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán dấu. Nếu nước nóng lên trong quá trình đốt cháy, phản ứng đang nhận năng lượng hay mất năng lượng? Nếu một dung dịch lạnh đi khi một muối hòa tan, phần năng lượng nhiệt bị mất đã đi đâu?

Ý tưởng hữu ích rất đơn giản: quan sát điều gì xảy ra với môi trường xung quanh, rồi suy ngược lại để xác định hệ hóa học đã làm gì.

01Bắt đầu từ sự truyền năng lượng

Hãy tưởng tượng bạn cầm một chiếc cốc ấm vào một buổi sáng lạnh. Năng lượng truyền từ chiếc cốc nóng hơn sang bàn tay lạnh hơn của bạn. Việc tay bạn ấm lên cho biết chúng đã nhận năng lượng nhiệt. Vì vậy, chiếc cốc hẳn đã mất năng lượng.

Một phản ứng hóa học cũng hoạt động theo cách tương tự.

Thông thường, chúng ta chia thí nghiệm thành:

• hệ: các chất hóa học đang trải qua phản ứng hoặc quá trình hòa tan
• môi trường xung quanh: nước, dung dịch, nhiệt lượng kế, không khí và các vật chất khác quanh hệ

Nếu môi trường xung quanh ấm lên, hệ đã truyền năng lượng cho môi trường. Biến đổi hóa học là tỏa nhiệt.

Nếu môi trường xung quanh lạnh đi, hệ đã nhận năng lượng từ môi trường. Biến đổi hóa học là thu nhiệt.

Ở đây, \(\Delta H\) là độ biến thiên entanpi của quá trình, thường được đo bằng \(\text{kJ mol}^{-1}\).

Dấu được xác định theo góc nhìn của hệ. Đây là chi tiết gây ra phần lớn các sai sót.

Nếu một phản ứng làm nóng nước, nước có \(q>0\), nhưng phản ứng có \(q<0\). Năng lượng không tự nhiên xuất hiện. Nó đã truyền từ một phần của thí nghiệm sang phần khác.

02Quá trình đốt cháy cho bạn biết điều gì

Giả sử ethanol cháy bên dưới một lon kim loại chứa nước.

Mô hình tư duy ban đầu của bạn có thể là:

nhiên liệu cháy → năng lượng được giải phóng → nước nhận năng lượng → nhiệt độ nước tăng

Đối với ethanol, phản ứng cháy có thể được biểu diễn là

\[
\ce{C2H5OH(l) + 3O2(g) -> 2CO2(g) + 3H2O(l)}
\]

Sự cháy của ethanol là tỏa nhiệt. Hệ hóa học của nó truyền năng lượng cho môi trường xung quanh.

Mô hình ban đầu đó hữu ích, nhưng chưa đầy đủ. Không phải toàn bộ năng lượng được giải phóng đều truyền đến nước. Một phần làm nóng bình kim loại. Một phần làm ấm không khí. Các khí cháy nóng thoát ra ngoài. Tùy vào dụng cụ, một phần nhiên liệu có thể bay hơi mà không cháy, và quá trình cháy có thể không hoàn toàn.

Vì vậy, độ tăng nhiệt độ cho phép chúng ta ước tính năng lượng được giải phóng khi cháy. Một nhiệt lượng kế đơn giản ở trường học không thu nhận được toàn bộ năng lượng đó.

Chuyển độ tăng nhiệt độ thành độ biến thiên năng lượng

Đối với nước, nhiệt lượng hấp thụ có thể được ước tính bằng

\[
q=mc\Delta T
\]

trong đó:

• \(q\) là nhiệt lượng truyền cho nước, tính bằng joule
• \(m\) là khối lượng nước, tính bằng gram
• \(c\) là nhiệt dung riêng, tính bằng \(\text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}\)
• \(\Delta T\) là độ biến thiên nhiệt độ, tính bằng \(^\circ\text{C}\) hoặc K

Đối với nước lỏng, chúng ta thường dùng

\[
c=4.18\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}
\]

Độ chênh lệch nhiệt độ \(1^\circ\text{C}\) có cùng giá trị số với độ chênh lệch \(1\text{ K}\), vì vậy có thể dùng một trong hai đơn vị cho \(\Delta T\).

Lưu ý rằng \(q=mc\Delta T\) cho bạn biết độ biến thiên năng lượng của nước.

Để tìm độ biến thiên năng lượng tương ứng của phản ứng, với giả định lý tưởng rằng toàn bộ nhiệt của phản ứng truyền vào nước,

\[
q_{\text{phản ứng}}=-q_{\text{nước}}
\]

Dấu âm thể hiện định luật bảo toàn năng lượng.

03Chất rắn ion có thể làm nước ấm lên hoặc lạnh đi

Bây giờ, hãy thay đèn đốt bằng một chất rắn ion.

Giả sử bạn cho calcium chloride rắn vào nước và khuấy. Chất rắn biến mất, và dung dịch ấm lên.

Điều gì thực sự đã xảy ra? Ta dễ bị hấp dẫn bởi cách giải thích: “Các liên kết trong muối bị phá vỡ, nên năng lượng được giải phóng.”

Cách giải thích đó đã đảo ngược chiều năng lượng.

Phá vỡ các tương tác hút cần năng lượng. Hình thành các tương tác hút giải phóng năng lượng.

Khi một chất rắn ion hòa tan trong nước, có hai quá trình quan trọng đang xảy ra:

1. các ion phải được tách khỏi mạng tinh thể ion
2. các phân tử nước hình thành lực hút với các ion đã tách ra

Ví dụ,

\[
\ce{CaCl2(s) -> Ca^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}
\]

Ký hiệu \(\ce{(aq)}\) không chỉ có nghĩa là “trôi nổi trong nước”. Nó biểu thị các ion được bao quanh và ổn định bởi các phân tử nước.

Việc tách các ion trong tinh thể cần năng lượng. Quá trình hydrat hóa các ion đó giải phóng năng lượng.

Entanpi hòa tan đo được phụ thuộc vào kết quả tổng hợp của các quá trình này.

Một cân bằng năng lượng đơn giản hữu ích là

\[
\Delta H_{\text{hòa tan}}
=
\text{năng lượng cần để tách các tiểu phân}
+
\text{năng lượng giải phóng trong quá trình hydrat hóa}
\]

Hãy cẩn thận với các dấu. Phần đóng góp do tách mạng tinh thể là dương. Hydrat hóa là âm.

Nếu hydrat hóa giải phóng nhiều năng lượng hơn lượng năng lượng cần để tách mạng tinh thể, thì

\[
\Delta H_{\text{hòa tan}}<0
\]

và quá trình hòa tan là tỏa nhiệt.

Nếu việc tách các tiểu phân cần nhiều năng lượng hơn lượng năng lượng mà hydrat hóa giải phóng, thì

\[
\Delta H_{\text{hòa tan}}>0
\]

và quá trình hòa tan là thu nhiệt.

Bạn có thể hình dung điều này giống như rời khỏi một mối quan hệ rồi ngay lập tức bắt đầu một mối quan hệ khác. Phá vỡ lực hút ban đầu tốn năng lượng. Hình thành các lực hút mới trả lại năng lượng. Toàn bộ quá trình có “tốn kém” về mặt năng lượng hay không phụ thuộc vào hiệu ứng nào lớn hơn. Phép so sánh chỉ dừng ở đó: các ion không hề cân nhắc lại lựa chọn cuộc đời của mình, và các tương tác thực tế là tương tác tĩnh điện.

04Đo sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hòa tan

Một bố trí thí nghiệm phổ biến sử dụng cốc polystyrene cách nhiệt, nước, nhiệt kế hoặc đầu dò nhiệt độ và một khối lượng chất rắn ion đã được đo.

Quy trình đại khái là:

1. đo một khối lượng hoặc thể tích nước đã biết
2. ghi lại nhiệt độ ban đầu
3. thêm một khối lượng chất rắn ion đã biết
4. khuấy để quá trình hòa tan diễn ra đồng đều
5. ghi lại nhiệt độ cao nhất hoặc thấp nhất đạt được

Tại sao lại dùng cốc polystyrene thay vì một cốc thủy tinh mở?

Vì mục tiêu là giảm sự truyền năng lượng giữa thí nghiệm và môi trường bên ngoài. Chúng ta muốn sự thay đổi nhiệt độ đo được chủ yếu xuất phát từ quá trình hòa tan.

Ngay cả như vậy, thí nghiệm vẫn không được cách nhiệt hoàn hảo.

05Nhiệt độ là bằng chứng, không phải năng lượng

Điểm khác biệt này đáng để xem xét kỹ.

Nhiệt độ tăng \(10^\circ\text{C}\) không có nghĩa là “10 đơn vị nhiệt đã được giải phóng”.

Nhiệt độ cho biết động năng trung bình của các hạt đã thay đổi như thế nào. Lượng năng lượng nhiệt được truyền còn phụ thuộc vào lượng vật chất có mặt và nhiệt dung riêng của nó.

Làm nóng \(20\text{ g}\) nước thêm \(10^\circ\text{C}\) cần ít năng lượng hơn nhiều so với làm nóng \(500\text{ g}\) nước thêm cùng \(10^\circ\text{C}\).

Đó là lý do \(q=mc\Delta T\) chứa cả ba đại lượng.

Giả sử hai quá trình hòa tan đều giải phóng chính xác \(2.0\text{ kJ}\). Một quá trình xảy ra trong \(50\text{ g}\) nước và quá trình kia trong \(200\text{ g}\). Bạn có nên kỳ vọng cùng một độ tăng nhiệt độ không?

Không. Khối lượng nhỏ hơn sẽ có độ biến thiên nhiệt độ lớn hơn, nếu các điều kiện khác tương đương.

Vì vậy, “độ tăng nhiệt độ lớn hơn” không tự động có nghĩa là “entanpi mol lớn hơn”.

06Sai lầm về dấu thường gặp nhất

Hãy xét một quá trình hòa tan tỏa nhiệt.

Dung dịch ấm lên, nên

\[
\Delta T_{\text{dung dịch}}>0
\]

và do đó

\[
q_{\text{dung dịch}}>0
\]

Một học sinh có thể dừng ở đây và báo cáo entanpi hòa tan dương.

Nhưng giá trị dương đó thuộc về môi trường xung quanh.

Đối với quá trình hóa học,

\[
q_{\text{hòa tan}}=-q_{\text{dung dịch}}
\]

nên

\[
q_{\text{hòa tan}}<0
\]

và quá trình là tỏa nhiệt.

Một trình tự quyết định đáng tin cậy là:

1. Điều gì đã xảy ra với môi trường xung quanh?
2. Môi trường xung quanh nhận hay mất năng lượng nhiệt?
3. Hệ hóa học thực hiện điều ngược lại.
4. Gán dấu của \(\Delta H\) cho quá trình hóa học.

Hãy làm điều đó trước khi chạm vào máy tính.

07Đại lượng nào nên được tính là khối lượng trong \(q=mc\Delta T\)?

Điều này phụ thuộc vào vật chất nào đang thay đổi nhiệt độ.

Trong thí nghiệm hòa tan, một phép gần đúng hữu ích thường là

\[
m_{\text{dung dịch}}=m_{\text{nước}}+m_{\text{chất tan}}
\]

vì sau khi hòa tan, cả hai đều là một phần của vật chất có nhiệt độ đang được đo.

Trong thí nghiệm đốt cháy, nếu ngọn lửa chỉ làm nóng một khối lượng nước đã biết và bỏ qua dụng cụ, hãy dùng khối lượng của nước.

Nếu bản thân nhiệt lượng kế có ảnh hưởng, độ biến thiên năng lượng của nó phải được tính riêng.

Đối với một nhiệt lượng kế có nhiệt dung \(C_{\text{cal}}\),

\[
q_{\text{cal}}=C_{\text{cal}}\Delta T
\]

trong đó \(C_{\text{cal}}\) được đo bằng \(\text{J K}^{-1}\).

Tổng năng lượng mà môi trường xung quanh hấp thụ khi đó có thể là

\[
q_{\text{môi trường}}
=
mc\Delta T+C_{\text{cal}}\Delta T
\]

và

\[
q_{\text{phản ứng}}=-q_{\text{môi trường}}
\]

Cách này chính xác hơn so với việc giả vờ rằng nhiệt lượng kế không hấp thụ năng lượng.

08Tại sao các thí nghiệm đốt cháy thường đánh giá thấp độ lớn

Giả sử một giá trị đã công bố cho entanpi cháy của một nhiên liệu vào khoảng \(-1400\text{ kJ mol}^{-1}\), nhưng một thí nghiệm đơn giản ở trường cho kết quả \(-850\text{ kJ mol}^{-1}\).

Giá trị nào biểu thị sự giải phóng năng lượng lớn hơn?

Giá trị \(-1400\text{ kJ mol}^{-1}\).

Đối với các số âm, giá trị càng âm thì có độ lớn càng lớn.

Một nhiệt lượng kế đốt cháy đơn giản thường cho giá trị ít âm hơn giá trị được chấp nhận vì phép tính giả định rằng

\[
\text{năng lượng do nhiên liệu giải phóng}=\text{năng lượng mà lượng nước đo được hấp thụ}
\]

nhưng trong thực tế,

\[
\text{năng lượng do nhiên liệu giải phóng}
=
\text{năng lượng nước hấp thụ}
+
\text{năng lượng được hấp thụ ở nơi khác}
\]

Năng lượng có thể được truyền tới:

• lon kim loại
• nhiệt kế
• không khí xung quanh
• bàn thí nghiệm hoặc giá đỡ
• các khí nóng rời khỏi dụng cụ

Sự cháy không hoàn toàn cũng có thể làm giảm năng lượng giải phóng trên mỗi mole nhiên liệu tiêu thụ, vì một phần carbon có thể tạo thành \(\ce{CO}\) hoặc muội than thay vì bị oxi hóa hoàn toàn thành \(\ce{CO2}\).

Còn có một nguồn sai số tinh vi khác. Nếu một nhiên liệu dễ bay hơi bốc hơi khỏi đèn đốt giữa các lần đo khối lượng, độ giảm khối lượng biểu kiến sẽ lớn hơn khối lượng thực sự đã cháy. Số mole được tính là “đã cháy” khi đó quá lớn, khiến năng lượng giải phóng tính trên mỗi mole có độ lớn quá nhỏ.

09Tại sao kết quả hòa tan cũng có thể không chính xác

Nhiệt lượng kế hòa tan không dùng ngọn lửa, nhưng vẫn có các hạn chế.

Nếu một quá trình hòa tan thu nhiệt làm cốc lạnh xuống dưới nhiệt độ phòng, năng lượng bắt đầu truyền từ căn phòng ấm hơn vào thí nghiệm lạnh hơn. Điều đó làm độ giảm nhiệt độ quan sát được nhỏ hơn so với khi cách nhiệt hoàn hảo.

Đối với một quá trình hòa tan tỏa nhiệt, điều ngược lại xảy ra. Cốc ấm truyền năng lượng cho môi trường lạnh hơn, làm giảm độ tăng nhiệt độ quan sát được.

Cả hai hiệu ứng đều có xu hướng kéo độ biến thiên nhiệt độ đo được về gần nhiệt độ phòng.

Các vấn đề khác bao gồm:

• bỏ qua nhiệt dung của cốc hoặc đầu dò nhiệt độ
• giả định mọi dung dịch đều có nhiệt dung riêng giống nước tinh khiết
• giả định khối lượng riêng của dung dịch chính xác là \(1.00\text{ g mL}^{-1}\)
• hòa tan không hoàn toàn
• đọc nhiệt độ chậm
• bắn tóe hoặc bay hơi
• sử dụng chất tan đã hấp thụ nước từ không khí trước khi cân

Thói quen quan trọng trong bài thi không chỉ là nêu “mất nhiệt”. Hãy chỉ rõ năng lượng truyền đi đâu và điều đó làm thay đổi kết quả tính toán như thế nào.

Ví dụ:

Trong một quá trình hòa tan tỏa nhiệt, một phần năng lượng được giải phóng truyền từ dung dịch ấm ra môi trường bên ngoài. Vì vậy, độ tăng nhiệt độ đo được quá nhỏ, nên độ lớn tính được của \(\Delta H_{\text{hòa tan}}\) cũng quá nhỏ.

Điều này giải thích được chuỗi nguyên nhân và kết quả.

10Mô hình sâu hơn về sự hòa tan của chất ion

Bây giờ có thể làm cho mô hình đơn giản “mạng tinh thể so với hydrat hóa” trở nên chính xác hơn.

Để hòa tan một chất rắn ion, các lực hút hiện có phải được sắp xếp lại.

Đối với một quá trình đơn giản hóa:

\[
\ce{MX(s) -> M+(g) + X-(g)}
\]

việc tách mạng tinh thể ion cần năng lượng.

Sau đó, các ion ở thể khí được hydrat hóa:

\[
\ce{M+(g) -> M+(aq)}
\]

và

\[
\ce{X-(g) -> X-(aq)}
\]

Hydrat hóa giải phóng năng lượng vì các lực hút ion-lưỡng cực hình thành giữa các ion và các phân tử nước phân cực.

Chúng ta có thể biểu diễn cân bằng tổng thể là

\[
\Delta H_{\text{hòa tan}}
=
\Delta H_{\text{tách mạng tinh thể}}
+
\Delta H_{\text{hydrat hóa}}
\]

trong đó số hạng hydrat hóa biểu thị tổng năng lượng hydrat hóa của các ion.

Nếu

\[
|\Delta H_{\text{hydrat hóa}}|
>
|\Delta H_{\text{tách mạng tinh thể}}|
\]

thì phần đóng góp âm từ hydrat hóa chiếm ưu thế, và quá trình hòa tan là tỏa nhiệt.

Nếu

\[
|\Delta H_{\text{hydrat hóa}}|
<
|\Delta H_{\text{tách mạng tinh thể}}|
\]

thì phần đóng góp dương từ việc tách mạng tinh thể chiếm ưu thế, và quá trình hòa tan là thu nhiệt.

Điều này giải thích tại sao bạn không thể phân loại sự hòa tan của mọi chất rắn ion chỉ bằng cách nói: “lực hút ion rất mạnh”.

Lực hút ion mạnh có thể khiến mạng tinh thể khó bị tách ra, nhưng các ion cũng có thể tương tác rất mạnh với nước. Dấu của entanpi phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa cả hai hiệu ứng.

11Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một học sinh hòa tan \(4.00\text{ g}\) một chất rắn ion trong \(80.0\text{ g}\) nước. Nhiệt độ tăng từ \(22.4^\circ\text{C}\) lên \(27.9^\circ\text{C}\).

Hãy phân loại quá trình hòa tan là thu nhiệt hay tỏa nhiệt, đồng thời tính độ biến thiên nhiệt của quá trình hòa tan. Giả sử dung dịch có nhiệt dung riêng \(4.18\text{ J g}^{-1}\text{K}^{-1}\) và bỏ qua nhiệt lượng kế.

Lời giải 1

Quá trình hòa tan là tỏa nhiệt, và độ biến thiên nhiệt của lượng chất đã hòa tan xấp xỉ \(-1.93\text{ kJ}\).

Nhiệt độ của môi trường xung quanh tăng, nên dung dịch đã nhận năng lượng nhiệt. Vì vậy, hệ đang hòa tan phải giải phóng cùng lượng năng lượng đó.

Trước tiên, tìm độ biến thiên nhiệt độ:

\[
\Delta T=27.9-22.4=5.5^\circ\text{C}
\]

Tổng khối lượng dung dịch là

\[
m=80.0+4.00=84.0\text{ g}
\]

Bây giờ tính nhiệt lượng mà dung dịch nhận được:

\[
\begin{aligned}
q_{\text{dung dịch}}
&=mc\Delta T\\
&=(84.0)(4.18)(5.5)\\
&=1931\text{ J}\\
&=1.93\text{ kJ}
\end{aligned}
\]

Do đó,

\[
q_{\text{hòa tan}}=-1.93\text{ kJ}
\]

Sai lầm dễ mắc là báo cáo \(+1.93\text{ kJ}\) vì \(\Delta T\) là dương. Giá trị đó mô tả dung dịch. Quá trình hóa học có dấu ngược lại.

Câu hỏi 2

Một học sinh hòa tan \(6.00\text{ g}\) một muối có khối lượng mol \(120.0\text{ g mol}^{-1}\) trong \(94.0\text{ g}\) nước bên trong một nhiệt lượng kế.

Nhiệt độ giảm từ \(25.0^\circ\text{C}\) xuống \(21.0^\circ\text{C}\). Nhiệt lượng kế có nhiệt dung \(45\text{ J K}^{-1}\). Giả sử dung dịch có nhiệt dung riêng \(4.18\text{ J g}^{-1}\text{K}^{-1}\).

Hãy tính entanpi mol thực nghiệm của quá trình hòa tan.

Một học sinh thứ hai bỏ qua nhiệt lượng kế và chỉ dùng \(q=mc\Delta T\). Hãy giải thích liệu giá trị mà học sinh đó tính được sẽ quá dương, quá âm hay không thay đổi.

Lời giải 2

Entanpi mol thực nghiệm của quá trình hòa tan xấp xỉ \(+37.0\text{ kJ mol}^{-1}\), và việc bỏ qua nhiệt lượng kế cho một giá trị chưa đủ dương, tức là độ lớn bị đánh giá thấp.

Nhiệt độ giảm

\[
\Delta T=21.0-25.0=-4.0^\circ\text{C}
\]

Tổng khối lượng dung dịch là

\[
m=94.0+6.00=100.0\text{ g}
\]

Dung dịch mất

\[
\begin{aligned}
q_{\text{dung dịch}}
&=mc\Delta T\\
&=(100.0)(4.18)(-4.0)\\
&=-1672\text{ J}
\end{aligned}
\]

Nhiệt lượng kế cũng lạnh đi:

\[
\begin{aligned}
q_{\text{cal}}
&=C_{\text{cal}}\Delta T\\
&=(45)(-4.0)\\
&=-180\text{ J}
\end{aligned}
\]

Vì vậy, tổng độ biến thiên nhiệt của phần môi trường xung quanh được đo là

\[
q_{\text{môi trường}}
=-1672-180
=-1852\text{ J}
\]

Do đó, quá trình hòa tan hấp thụ

\[
q_{\text{hòa tan}}=+1852\text{ J}=+1.852\text{ kJ}
\]

Lượng muối là

\[
\begin{aligned}
n&=\frac{m}{M}\\
&=\frac{6.00}{120.0}\\
&=0.0500\text{ mol}
\end{aligned}
\]

Do đó,

\[
\begin{aligned}
\Delta H_{\text{hòa tan}}
&=\frac{1.852}{0.0500}\\
&=+37.0\text{ kJ mol}^{-1}
\end{aligned}
\]

Lập luận dễ mắc của học sinh thứ hai là cốc chỉ là vật chứa, nên chỉ dung dịch mới quan trọng. Nhưng bản thân cốc cũng thay đổi nhiệt độ. Vì nó lạnh đi, nó cũng mất năng lượng cho quá trình hòa tan thu nhiệt.

Bỏ qua phần đóng góp đó cho

\[
q_{\text{môi trường}}=-1672\text{ J}
\]

thay vì \(-1852\text{ J}\). Vì vậy, \(\Delta H_{\text{hòa tan}}\) tính được vẫn sẽ dương, nhưng nhỏ hơn giá trị đúng.

Câu hỏi 3

Một học sinh đốt \(0.600\text{ g}\) một nhiên liệu có khối lượng mol \(60.0\text{ g mol}^{-1}\). Ngọn lửa làm nóng \(250.0\text{ g}\) nước từ \(19.0^\circ\text{C}\) lên \(29.0^\circ\text{C}\).

Nhiệt lượng kế kim loại cũng hấp thụ \(1.20\text{ kJ}\) trong thí nghiệm.

Hãy tính entanpi mol thực nghiệm của quá trình cháy.

Giá trị được chấp nhận là \(-1500\text{ kJ mol}^{-1}\). Hãy nêu hai quá trình thực nghiệm khác nhau có thể giải thích sự chênh lệch này, và với mỗi quá trình, giải thích chiều ảnh hưởng của nó.

Lời giải 3

Entanpi mol thực nghiệm của quá trình cháy xấp xỉ \(-1165\text{ kJ mol}^{-1}\). Độ lớn của nó nhỏ hơn giá trị được chấp nhận.

Nhiệt độ nước tăng

\[
\Delta T=29.0-19.0=10.0^\circ\text{C}
\]

Nước hấp thụ

\[
\begin{aligned}
q_{\text{nước}}
&=mc\Delta T\\
&=(250.0)(4.18)(10.0)\\
&=10450\text{ J}\\
&=10.45\text{ kJ}
\end{aligned}
\]

Nhiệt lượng kế hấp thụ thêm \(1.20\text{ kJ}\), nên phần môi trường xung quanh được đo nhận

\[
q_{\text{môi trường}}
=10.45+1.20
=11.65\text{ kJ}
\]

Do đó,

\[
q_{\text{cháy}}=-11.65\text{ kJ}
\]

Lượng nhiên liệu đã cháy là

\[
\begin{aligned}
n&=\frac{0.600}{60.0}\\
&=0.0100\text{ mol}
\end{aligned}
\]

Vì vậy,

\[
\begin{aligned}
\Delta H_c
&=\frac{-11.65}{0.0100}\\
&=-1165\text{ kJ mol}^{-1}
\end{aligned}
\]

Hai cách giải thích có thể có cho sự chênh lệch là:

• Năng lượng truyền ra môi trường bên ngoài. Một phần năng lượng làm nóng không khí, giá đỡ và các vật xung quanh khác thay vì lượng nước và nhiệt lượng kế được đo. Giá trị \(q\) đo được quá nhỏ, nên \(\Delta H_c\) tính được ít âm hơn giá trị thực.
• Nhiên liệu bay hơi mà không cháy. Nếu nhiên liệu dễ bay hơi, một phần độ giảm khối lượng đo được có thể do bay hơi chứ không phải do cháy. Khi đó học sinh tính số mole đã cháy quá lớn. Việc chia năng lượng đo được cho một lượng mole quá lớn làm giá trị \(\text{kJ mol}^{-1}\) tính được có độ lớn quá nhỏ.

Sự cháy không hoàn toàn cũng có thể góp phần. Nếu một phần nhiên liệu tạo thành \(\ce{CO}\) hoặc carbon thay vì bị oxi hóa hoàn toàn thành \(\ce{CO2}\), năng lượng được giải phóng sẽ ít hơn so với quá trình cháy hoàn toàn.

Cách giải thích dễ mắc là chỉ nói “sai số thực nghiệm”. Như vậy là chưa đủ. Mỗi sai số phải được liên hệ với một quá trình vật lý, rồi với ảnh hưởng của nó lên giá trị tính được.

Câu hỏi 4

Hai muối A và B được thử trong các cốc cách nhiệt giống hệt nhau.

Đối với muối A, \(0.100\text{ mol}\) được hòa tan trong \(100\text{ g}\) nước và nhiệt độ tăng \(6.0^\circ\text{C}\).

Đối với muối B, \(0.0500\text{ mol}\) được hòa tan trong \(200\text{ g}\) nước và nhiệt độ tăng \(4.0^\circ\text{C}\).

Một học sinh lập luận:

“Muối A chắc chắn có entanpi mol hòa tan tỏa nhiệt mạnh hơn vì nó gây ra độ tăng nhiệt độ lớn hơn.”

Giả sử khối lượng của mỗi muối đã hòa tan đủ nhỏ để có thể bỏ qua, cả hai dung dịch đều có \(c=4.18\text{ J g}^{-1}\text{K}^{-1}\), và nhiệt lượng mà các cốc hấp thụ là không đáng kể.

Hãy xác định muối nào có entanpi mol hòa tan âm hơn. Sau đó giải thích chính xác tại sao chỉ dùng độ biến thiên nhiệt độ sẽ cho sự so sánh sai.

Lời giải 4

Muối B có entanpi mol hòa tan âm hơn: xấp xỉ \(-66.9\text{ kJ mol}^{-1}\), so với \(-25.1\text{ kJ mol}^{-1}\) của muối A.

Đối với muối A,

\[
\begin{aligned}
q_{\text{nước,A}}
&=(100)(4.18)(6.0)\\
&=2508\text{ J}\\
&=2.508\text{ kJ}
\end{aligned}
\]

Vì nhiệt độ tăng,

\[
q_{\text{hòa tan,A}}=-2.508\text{ kJ}
\]

cho \(0.100\text{ mol}\). Do đó,

\[
\begin{aligned}
\Delta H_{\text{hòa tan,A}}
&=\frac{-2.508}{0.100}\\
&=-25.1\text{ kJ mol}^{-1}
\end{aligned}
\]

Đối với muối B,

\[
\begin{aligned}
q_{\text{nước,B}}
&=(200)(4.18)(4.0)\\
&=3344\text{ J}\\
&=3.344\text{ kJ}
\end{aligned}
\]

Vì vậy,

\[
q_{\text{hòa tan,B}}=-3.344\text{ kJ}
\]

chỉ cho \(0.0500\text{ mol}\).

Do đó,

\[
\begin{aligned}
\Delta H_{\text{hòa tan,B}}
&=\frac{-3.344}{0.0500}\\
&=-66.9\text{ kJ mol}^{-1}
\end{aligned}
\]

Cách làm dễ mắc là coi độ tăng nhiệt độ như thể nó trực tiếp đo entanpi mol của phản ứng.

Không phải như vậy.

Muối B làm nóng lượng nước gấp đôi. Làm \(200\text{ g}\) nước tăng \(4.0^\circ\text{C}\) cần nhiều năng lượng hơn làm \(100\text{ g}\) nước tăng \(6.0^\circ\text{C}\). Muối B cũng giải phóng lượng năng lượng đó từ chỉ bằng một nửa số mole.

Do đó, sự so sánh cần cả hai giai đoạn:

\[
\Delta T\rightarrow q\rightarrow \frac{q}{n}
\]

Chỉ riêng độ biến thiên nhiệt độ là không đủ.

Câu hỏi 5

Một chất rắn ion X hòa tan thu nhiệt trong một nhiệt lượng kế cách nhiệt.

Một học sinh cho \(0.100\text{ mol}\) X vào nước ban đầu ở \(25.0^\circ\text{C}\). Sau khi hòa tan hoàn toàn, dung dịch đạt \(20.0^\circ\text{C}\).

Không lấy dung dịch ra ngoài hoặc để nó trao đổi một lượng năng lượng đáng kể với căn phòng, học sinh sau đó dùng một bộ gia nhiệt điện để làm dung dịch tăng trở lại chính xác \(25.0^\circ\text{C}\). Bộ gia nhiệt cung cấp \(3.50\text{ kJ}\).

Một bạn cùng lớp lập luận:

“Thí nghiệm bắt đầu ở \(25.0^\circ\text{C}\) và kết thúc ở \(25.0^\circ\text{C}\), nên độ biến thiên entanpi tổng thể phải bằng không. Nhiệt độ đã trở về đúng giá trị ban đầu.”

Giả sử bộ gia nhiệt thay thế chính xác năng lượng nhiệt đã bị hấp thụ trong quá trình hòa tan và không có sự chuyển pha nào xảy ra.

Kết luận của bạn cùng lớp có đúng không? Hãy xác định entanpi mol hòa tan của X, đồng thời giải thích tại sao việc trở về nhiệt độ ban đầu không làm hệ hóa học trở về trạng thái ban đầu.

Lời giải 5

Kết luận của bạn cùng lớp là không đúng. Entanpi mol hòa tan là \(+35.0\text{ kJ mol}^{-1}\).

Ban đầu, quá trình hòa tan làm môi trường xung quanh lạnh đi từ \(25.0^\circ\text{C}\) xuống \(20.0^\circ\text{C}\). Điều đó cho biết quá trình hòa tan hấp thụ năng lượng, nên

\[
\Delta H_{\text{hòa tan}}>0
\]

Sau đó, bộ gia nhiệt điện cung cấp \(3.50\text{ kJ}\) để đưa dung dịch trở lại nhiệt độ ban đầu.

Theo giả định đã nêu, \(3.50\text{ kJ}\) đó thay thế lượng năng lượng mà quá trình hòa tan đã hấp thụ. Do đó,

\[
q_{\text{hòa tan}}=+3.50\text{ kJ}
\]

cho \(0.100\text{ mol}\) X.

Vì vậy,

\[
\begin{aligned}
\Delta H_{\text{hòa tan}}
&=\frac{+3.50}{0.100}\\
&=+35.0\text{ kJ mol}^{-1}
\end{aligned}
\]

Cái bẫy ở đây là giả định rằng nhiệt độ ban đầu và cuối cùng bằng nhau thì trạng thái ban đầu và cuối cùng cũng giống nhau.

Không phải vậy.

Ban đầu, hệ chứa X rắn và nước. Cuối cùng, hệ chứa các ion đã hòa tan và được hydrat hóa trong dung dịch. Nhiệt độ đã trở về \(25.0^\circ\text{C}\), nhưng thành phần hóa học và các tương tác giữa các hạt đã thay đổi.

Bộ gia nhiệt cung cấp năng lượng sau quá trình hòa tan. Nó không đảo ngược quá trình hòa tan.

Để đưa toàn bộ hệ trở về trạng thái ban đầu, các ion đã hòa tan cần tái tạo lại chất rắn ban đầu trong những điều kiện thích hợp, chứ không phải chỉ được làm ấm lên.

Đây là một bài học rộng hơn của nhiệt hóa học: nhiệt độ chỉ là một biến trạng thái. Hai hệ có thể có cùng nhiệt độ nhưng có thành phần khác nhau và entanpi khác nhau.

Ý tưởng này đặc biệt hữu ích khi bạn chuyển từ nhiệt lượng kế đơn giản sang các chu trình năng lượng. Thay vì chỉ hỏi một cốc phản ứng nóng lên hay lạnh đi, bạn có thể theo dõi năng lượng qua nhiều bước hóa học và sử dụng thực tế rằng entanpi phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng.