Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
Enthalpy Changes, Calorimetry and Hess's Law
Sign convention, and what it means
$\Delta H$ is the heat exchanged at constant pressure. Exothermic reactions release heat to the surroundings, so the system loses enthalpy and $\Delta H<0$; the surroundings get warmer. Endothermic reactions absorb heat, $\Delta H>0$, and the surroundings get colder. The temperature you measure belongs to the surroundings — that is why the sign flips.
Calorimetry
$$q=mc\Delta T$$Here $m$ is the mass of the solution being heated, not the mass of fuel; $c=4.18\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}$ for dilute aqueous solutions. Then divide by the moles of the limiting reactant and attach the sign:
$$\Delta H=-\frac{q}{n}$$Hess's law and the two routes
Enthalpy is a state function, so $\Delta H$ depends only on the initial and final states. Two standard shortcuts follow:
$$\Delta H=\sum\Delta H_\text{f}(\text{products})-\sum\Delta H_\text{f}(\text{reactants})$$$$\Delta H=\sum E(\text{bonds broken})-\sum E(\text{bonds formed})$$Note the two formulae run in opposite directions: formation enthalpies are "products minus reactants", bond enthalpies are "broken minus formed". Bond enthalpies are averages taken over many compounds and apply only to gaseous species, so they give an approximate answer.
Quy ước dấu, và ý nghĩa của nó. $\Delta H$ là nhiệt trao đổi ở áp suất không đổi. Phản ứng toả nhiệt (exothermic) nhả nhiệt ra môi trường nên hệ mất enthalpy, $\Delta H<0$, và môi trường nóng lên. Phản ứng thu nhiệt (endothermic) hút nhiệt vào, $\Delta H>0$, và môi trường lạnh đi. Nhiệt độ ta đo được là nhiệt độ của môi trường — đó chính là lý do dấu bị đảo.
Nhiệt lượng kế.
$$q=mc\Delta T$$$m$ là khối lượng của dung dịch bị đun nóng, không phải khối lượng nhiên liệu; $c=4{,}18\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}$ cho dung dịch nước loãng. Sau đó chia cho số mol chất hạn chế và gắn dấu:
$$\Delta H=-\frac{q}{n}$$Định luật Hess và hai lối đi. Enthalpy là hàm trạng thái, nên $\Delta H$ chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc đường đi. Từ đó có hai công thức tắt:
$$\Delta H=\sum\Delta H_\text{f}(\text{sản phẩm})-\sum\Delta H_\text{f}(\text{chất phản ứng})$$$$\Delta H=\sum E(\text{liên kết bị phá})-\sum E(\text{liên kết tạo thành})$$Chú ý hai công thức chạy ngược chiều nhau: enthalpy tạo thành lấy "sản phẩm trừ chất phản ứng", còn năng lượng liên kết lấy "phá trừ tạo". Năng lượng liên kết là giá trị trung bình lấy trên nhiều hợp chất và chỉ đúng cho chất ở thể khí, nên kết quả là gần đúng.
Trộn $50{,}0\ \text{cm}^3$ $\ce{HCl}$ $1{,}00\ \text{mol dm}^{-3}$ với $50{,}0\ \text{cm}^3$ $\ce{NaOH}$ $1{,}00\ \text{mol dm}^{-3}$, nhiệt độ tăng $6{,}8\ \text{K}$. Tính enthalpy trung hoà. Giả thiết $c=4{,}18\ \text{J g}^{-1}\text{K}^{-1}$ và khối lượng riêng $1{,}00\ \text{g cm}^{-3}$.
Bước 1 — khối lượng bị đun nóng. Là toàn bộ dung dịch sau khi trộn: $50{,}0+50{,}0=100{,}0\ \text{cm}^3$, tức $100{,}0$ g. Lấy $50$ g là lỗi phổ biến nhất của bài này.
$$q=mc\Delta T=100{,}0\times4{,}18\times6{,}8=2842\ \text{J}=2{,}84\ \text{kJ}$$Bước 2 — số mol nước tạo thành. $n(\ce{HCl})=0{,}0500\times1{,}00=0{,}0500$ mol và $n(\ce{NaOH})$ cũng vậy. Phản ứng theo tỉ lệ $1:1$ nên tạo $0{,}0500$ mol nước.
Bước 3 — chia và gắn dấu. Nhiệt độ tăng nên phản ứng toả nhiệt, $\Delta H$ mang dấu âm:
$$\Delta H=-\frac{2{,}84}{0{,}0500}=-56{,}8\ \text{kJ mol}^{-1}$$Kiểm hợp lý: enthalpy trung hoà của axit mạnh với bazơ mạnh luôn quanh $-57\ \text{kJ mol}^{-1}$, vì phản ứng thực chất luôn là $\ce{H+ + OH- -> H2O}$.
Tính $\Delta H$ của $\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(g)}$ theo hai cách: (i) năng lượng liên kết trung bình $\ce{C-H}=414$, $\ce{O=O}=498$, $\ce{C=O}=804$, $\ce{O-H}=463$; (ii) enthalpy tạo thành $\Delta H_\text{f}$: $\ce{CH4}=-75$, $\ce{CO2}=-394$, $\ce{H2O(g)}=-242$. Đơn vị $\text{kJ mol}^{-1}$.
(i) Theo năng lượng liên kết. Đếm cho đúng hệ số.
Phá: $4\times\ce{C-H}$ trong $\ce{CH4}$ và $2\times\ce{O=O}$:
$$4(414)+2(498)=1656+996=2652$$Tạo: $2\times\ce{C=O}$ trong $\ce{CO2}$ và $4\times\ce{O-H}$ (vì có hai phân tử nước, mỗi phân tử hai liên kết):
$$2(804)+4(463)=1608+1852=3460$$$$\Delta H=2652-3460=-808\ \text{kJ mol}^{-1}$$(ii) Theo enthalpy tạo thành. Đơn chất $\ce{O2}$ có $\Delta H_\text{f}=0$.
$$\Delta H=\big[(-394)+2(-242)\big]-\big[(-75)+0\big]=-878+75=-803\ \text{kJ mol}^{-1}$$Vì sao lệch $5\ \text{kJ mol}^{-1}$: năng lượng liên kết là giá trị trung bình lấy trên nhiều hợp chất khác nhau, nên liên kết $\ce{C-H}$ cụ thể trong metan không đúng bằng $414$. Cách (ii) dùng số đo thực nghiệm cho từng chất nên chính xác hơn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Reactivity 1 — What Drives Chemical Reactions? gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.