Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Exothermic and endothermic reactions
The two kinds of reaction
- Exothermic — energy is given out to the surroundings. The temperature of the surroundings rises; the beaker feels warm. Examples: combustion, neutralisation, respiration, most displacement reactions.
- Endothermic — energy is taken in from the surroundings. The temperature of the surroundings falls; the beaker feels cold. Examples: thermal decomposition, photosynthesis, dissolving some salts.
The sign convention
$$\Delta H<0\ \text{for exothermic},\qquad \Delta H>0\ \text{for endothermic}$$This looks backwards until you see what $\Delta H$ measures: the energy stored in the chemicals, not in the surroundings. In an exothermic reaction the chemicals lose energy — they hand it over to the surroundings — so their energy change is negative, even though the beaker gets hot.
Energy level diagrams
Draw energy on the vertical axis and progress of reaction across.
- Exothermic: products are lower than reactants. $\Delta H$ is the drop, drawn downwards, and is negative.
- Endothermic: products are higher than reactants. $\Delta H$ is the rise, drawn upwards, and is positive.
Both diagrams have a hump between reactants and products. The height of that hump, measured from the reactants up to the peak, is the activation energy $E_{a}$ — the minimum energy colliding particles need for the reaction to happen at all.
What a catalyst does — and does not do
A catalyst provides an alternative pathway with a lower activation energy, so the hump is lower and more collisions succeed. But it does not change the energy of the reactants or of the products, so $\Delta H$ is unchanged. On the diagram, the hump gets shorter while both ends stay exactly where they were.
Hai loại phản ứng.
- Toả nhiệt — năng lượng được nhả ra môi trường. Nhiệt độ môi trường tăng; sờ cốc thấy ấm. Ví dụ: sự cháy, phản ứng trung hoà, hô hấp, phần lớn phản ứng thế.
- Thu nhiệt — năng lượng được lấy vào từ môi trường. Nhiệt độ môi trường giảm; sờ cốc thấy lạnh. Ví dụ: phân huỷ nhiệt, quang hợp, hoà tan một số muối.
Quy ước dấu.
$$\Delta H<0\ \text{với toả nhiệt},\qquad \Delta H>0\ \text{với thu nhiệt}$$Quy ước này trông ngược đời cho tới khi thấy rõ $\Delta H$ đo cái gì: nó đo năng lượng dự trữ trong các chất, không đo năng lượng của môi trường.
Trong phản ứng toả nhiệt, các chất mất năng lượng — chúng trao nó cho môi trường — nên độ biến thiên năng lượng của chúng mang dấu âm, dù cái cốc nóng lên.
Giản đồ mức năng lượng. Trục đứng là năng lượng, trục ngang là tiến trình phản ứng.
- Toả nhiệt: sản phẩm nằm thấp hơn chất phản ứng. $\Delta H$ là phần tụt xuống, vẽ mũi tên hướng xuống, và mang dấu âm.
- Thu nhiệt: sản phẩm nằm cao hơn chất phản ứng. $\Delta H$ là phần dâng lên, vẽ mũi tên hướng lên, và mang dấu dương.
Cả hai giản đồ đều có một bướu giữa chất phản ứng và sản phẩm. Chiều cao của bướu, đo từ mức chất phản ứng lên tới đỉnh, là năng lượng hoạt hoá $E_{a}$ — năng lượng tối thiểu mà các hạt va chạm cần có để phản ứng xảy ra được.
Chất xúc tác làm gì — và không làm gì. Chất xúc tác mở một con đường khác có năng lượng hoạt hoá thấp hơn, nên bướu thấp xuống và nhiều va chạm thành công hơn. Nhưng nó không làm đổi năng lượng của chất phản ứng hay của sản phẩm, nên $\Delta H$ giữ nguyên.
Trên giản đồ: bướu thấp đi, còn hai đầu đứng yên đúng chỗ cũ. Đây là chi tiết đề thi hỏi thẳng.
Phản ứng đốt cháy metan có $\Delta H=-890$ kJ/mol. (a) Phản ứng này toả nhiệt hay thu nhiệt? (b) Trên giản đồ mức năng lượng, sản phẩm nằm cao hơn hay thấp hơn chất phản ứng, và cách bao nhiêu? (c) Nếu thêm chất xúc tác, giản đồ đổi thế nào?
(a) $\Delta H$ mang dấu âm, nên phản ứng toả nhiệt. Điều này khớp với quan sát: đốt metan thì ngọn lửa toả nhiệt ra môi trường.
(b) Sản phẩm nằm thấp hơn chất phản ứng, cách $890$ kJ/mol.
Cách đọc dấu: $\Delta H$ đo năng lượng của các chất. Dấu âm nghĩa là các chất mất $890$ kJ trên mỗi mol — chúng trao lượng năng lượng ấy cho môi trường, nên môi trường nóng lên trong khi bản thân chất tụt xuống mức thấp hơn.
(c) Chất xúc tác chỉ đổi một thứ. Nó mở một con đường phản ứng khác có năng lượng hoạt hoá thấp hơn, nên bướu trên giản đồ thấp xuống.
Nhưng nó không làm đổi năng lượng của chất phản ứng, cũng không đổi năng lượng của sản phẩm. Hai đầu đường cong đứng yên đúng chỗ cũ, nên
$$\Delta H=-890\ \text{kJ/mol vẫn giữ nguyên}$$Nói cách khác: chất xúc tác làm phản ứng chạy nhanh hơn, không làm nó toả ra nhiều nhiệt hơn. Nhầm hai điều này là lỗi bị trừ điểm đều đặn.
Một học sinh hoà tan amoni nitrat vào nước trong một cốc thuỷ tinh. Nhiệt độ của dung dịch giảm từ $21^{\circ}$C xuống $14^{\circ}$C, và thành cốc trở nên lạnh. (a) Quá trình này toả nhiệt hay thu nhiệt? (b) Nêu dấu của $\Delta H$. (c) Giải thích vì sao dấu đó không mâu thuẫn với việc cốc bị lạnh đi.
(a) Nhiệt độ của môi trường (dung dịch và cốc) giảm, nghĩa là năng lượng đã bị lấy đi khỏi môi trường. Quá trình này thu nhiệt.
(b) $\Delta H$ mang dấu dương.
(c) Đây là chỗ dễ thấy mâu thuẫn nhất, và mâu thuẫn ấy chỉ là ảo.
$\Delta H$ đo năng lượng dự trữ trong các chất, không đo nhiệt độ của môi trường. Hai đại lượng này luôn đi ngược chiều nhau, vì năng lượng chỉ chuyển từ bên này sang bên kia chứ không sinh ra hay mất đi.
Ở đây, các chất nhận thêm năng lượng để tách ion ra khỏi mạng tinh thể. Năng lượng ấy lấy từ đâu? Từ chính nước và cốc xung quanh. Vì thế:
- các chất được năng lượng → $\Delta H$ dương;
- môi trường mất năng lượng → nhiệt độ giảm, cốc lạnh đi.
Cả hai vế của cùng một sự chuyển giao. Cách chặn nhầm lẫn: mỗi lần xét dấu, hỏi “các chất được hay mất năng lượng?”, đừng hỏi “cốc nóng hay lạnh”.
Ứng dụng thực tế của chính phản ứng này: túi chườm lạnh dùng ngay, chỉ cần bóp cho amoni nitrat gặp nước là túi lạnh xuống trong vài giây.
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.