Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Enthalpy changes, calorimetry and Hess's law
Definitions that must be quoted exactly
Standard conditions are $298$ K and $100$ kPa, with all substances in their standard states. The standard enthalpy change of formation $\Delta H^\circ_f$ is the enthalpy change when one mole of a compound is formed from its elements in their standard states. The standard enthalpy change of combustion $\Delta H^\circ_c$ is the enthalpy change when one mole of a substance is burned completely in oxygen. The words "one mole" and "standard states" each carry a mark.
Calorimetry
$$q = mc\Delta T,\qquad \Delta H = -\frac{q}{n}$$Here $m$ is the mass of the water (or solution), not of the fuel, and $c = 4.18$ J g$^{-1}$ K$^{-1}$. The minus sign appears because a rise in temperature means heat left the reaction. Experimental values of $\Delta H_c$ are always less exothermic than data-book values, because of heat loss to the surroundings, incomplete combustion, and evaporation of the fuel.
Hess's law and bond enthalpies
The total enthalpy change is independent of the route taken. Two standard cycles follow:
$$\Delta H_r=\sum \Delta H^\circ_f(\text{products})-\sum \Delta H^\circ_f(\text{reactants})$$$$\Delta H_r=\sum \Delta H^\circ_c(\text{reactants})-\sum \Delta H^\circ_c(\text{products})$$Note the two are the opposite way round. From bond enthalpies, $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds formed})$, valid only for gaseous species.
Ba định nghĩa phải thuộc từng chữ. Điều kiện chuẩn là $298$ K và $100$ kPa, mọi chất ở trạng thái chuẩn. Nhiệt tạo thành chuẩn $\Delta H^\circ_f$ là biến thiên entanpi khi tạo một mol hợp chất từ các đơn chất ở trạng thái chuẩn. Nhiệt cháy chuẩn $\Delta H^\circ_c$ là biến thiên entanpi khi đốt cháy hoàn toàn một mol chất trong oxi. Cụm "một mol" và cụm "trạng thái chuẩn" mỗi cụm đáng một ý khi chấm, nên viết thiếu là mất điểm dù ý chính vẫn đúng.
Nhiệt lượng kế.
$$q=mc\Delta T,\qquad \Delta H=-\frac{q}{n}$$Trong đó $m$ là khối lượng nước (hoặc dung dịch) bị đun nóng, không phải khối lượng nhiên liệu — đây là chỗ mất điểm phổ biến nhất của cả chương. Nhiệt dung riêng $c=4{,}18$ J g$^{-1}$ K$^{-1}$. Dấu trừ xuất hiện vì nhiệt độ tăng nghĩa là nhiệt đã rời khỏi hệ phản ứng.
Giá trị $\Delta H_c$ đo trong phòng thí nghiệm luôn kém toả nhiệt hơn giá trị trong sách, vì ba lý do đều phải nêu được: mất nhiệt ra môi trường và ra dụng cụ, cháy không hoàn toàn (sinh muội và $\ce{CO}$), và nhiên liệu bay hơi không cháy hết.
Định luật Hess và năng lượng liên kết. Tổng biến thiên entanpi không phụ thuộc đường đi. Hai chu trình chuẩn, và chú ý chúng ngược chiều nhau:
$$\Delta H_r=\sum \Delta H^\circ_f(\text{sản phẩm})-\sum \Delta H^\circ_f(\text{chất đầu})$$$$\Delta H_r=\sum \Delta H^\circ_c(\text{chất đầu})-\sum \Delta H^\circ_c(\text{sản phẩm})$$Từ năng lượng liên kết: $\Delta H=\sum(\text{liên kết bị phá})-\sum(\text{liên kết được tạo})$, và công thức này chỉ đúng khi mọi chất đều ở thể khí.
Đốt $0.920$ g etanol $\ce{C2H5OH}$ trong đèn cồn, dùng nhiệt toả ra để đun $250$ g nước. Nhiệt độ nước tăng từ $19.0\ ^\circ\text{C}$ lên $40.0\ ^\circ\text{C}$. Tính $\Delta H_c$ của etanol. Giá trị trong sách là $-1367$ kJ mol$^{-1}$; giải thích chênh lệch. Cho $c=4.18$ J g$^{-1}$ K$^{-1}$.
Bước 1 — nhiệt lượng nước nhận được. Khối lượng dùng trong công thức là khối lượng nước, không phải khối lượng etanol.
$$q=mc\Delta T=250\times 4{,}18\times (40{,}0-19{,}0)=250\times 4{,}18\times 21{,}0=21945\ \text{J}=21{,}9\ \text{kJ}$$Bước 2 — số mol etanol đã cháy. $M_r(\ce{C2H5OH})=46{,}0$.
$$n=\frac{0{,}920}{46{,}0}=0{,}0200\ \text{mol}$$Bước 3 — quy về một mol, và đặt dấu.
$$\Delta H_c=-\frac{21{,}9}{0{,}0200}=-1097\ \text{kJ mol}^{-1}$$Bước 4 — giải thích chênh lệch $270$ kJ mol$^{-1}$. Giá trị đo được kém toả nhiệt hơn giá trị sách, và điều đó luôn xảy ra với dụng cụ hở. Ba nguyên nhân:
Mất nhiệt ra môi trường — phần lớn chênh lệch nằm ở đây: nhiệt đi vào không khí, vào cốc, vào giá đỡ, chứ không đi hết vào nước.
Cháy không hoàn toàn — nếu oxi không đủ, một phần etanol chỉ cháy thành $\ce{CO}$ và muội cacbon, mà hai sản phẩm ấy còn giữ lại năng lượng chưa giải phóng.
Etanol bay hơi khỏi bấc mà không cháy, nên khối lượng hụt đi lớn hơn khối lượng thực sự đã phản ứng, làm mẫu số $n$ tính ra lớn hơn thật.
Chú ý chiều của cả ba: chúng đều làm $\Delta H_c$ đo được kém âm hơn. Vì vậy nếu một thí nghiệm cho giá trị âm hơn giá trị sách thì lỗi nằm ở phép tính chứ không nằm ở thí nghiệm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemical Energetics gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.