Nhiệt hóa học: Nhiệt lượng trong các phản ứng
Tại sao có phản ứng cháy nóng, có phản ứng lại lạnh đi? Các em sẽ học về thu nhiệt vs tỏa nhiệt, quy ước dấu của ΔH, tính nhiệt dung riêng, nhiệt lượng kế và năng lượng chuyển pha.
Năng lượng và hóa học không thể tách rời
Mọi phản ứng hóa học đều kèm theo sự thay đổi năng lượng. Đốt xăng tỏa ra rất nhiều nhiệt. Hòa tan amoni nitrat làm lạnh bàn tay các em (nguyên lý của túi lạnh cấp cứu). Quang hợp lưu trữ ánh sáng mặt trời trong các liên kết hóa học.
Nhiệt hóa học nghiên cứu những dòng năng lượng đó trong phản ứng và trong các biến đổi vật lý.
Thu nhiệt vs tỏa nhiệt
- Tỏa nhiệt (Exothermic) — hệ GIẢI PHÓNG nhiệt ra môi trường. Môi trường ấm lên. ΔH ÂM.
- Thu nhiệt (Endothermic) — hệ HẤP THỤ nhiệt từ môi trường. Môi trường lạnh đi. ΔH DƯƠNG.
Quy ước dấu luôn dựa trên góc nhìn của hệ. Khi hệ mất năng lượng (giải phóng nhiệt), ΔH của nó là âm.
Mẹo nhớ: EXothermic = EXits (nhiệt đi ra khỏi hệ).
Ví dụ:
- Tỏa nhiệt: đốt cháy, trung hòa, ngưng tụ, đông đặc
- Thu nhiệt: nóng chảy, bay hơi, quang hợp, hòa tan NH₄NO₃
Nhiệt dung riêng — năng lượng cho mỗi gam mỗi độ
Nhiệt dung riêng (c) là năng lượng cần để tăng nhiệt độ của 1 gam chất lên 1 °C. Công thức:
q = m × c × ΔT
trong đó q = nhiệt (J), m = khối lượng (g), c = nhiệt dung riêng (J/(g·°C)), ΔT = độ biến thiên nhiệt độ (°C).
Nhiệt dung riêng gần đúng (J/(g·°C)):
- Nước — 4.18 (rất cao; giúp điều hòa khí hậu)
- Nước đá — 2.09
- Ethanol — 2.44
- Nhôm — 0.897
- Sắt — 0.449
- Đồng — 0.385
Kim loại có nhiệt dung riêng THẤP nên nóng lên nhanh. Nước có nhiệt dung riêng CAO là lý do đại dương làm dịu khí hậu, và cũng là lý do nồi nước cần khá lâu mới sôi.
Ví dụ giải mẫu
Cần bao nhiêu nhiệt để làm nóng 100 g nước từ 20 °C lên 80 °C?
q = m × c × ΔT = 100 × 4.18 × (80 − 20) = 100 × 4.18 × 60 = 25,080 J (khoảng 25 kJ).
Kiểm tra dấu: nhiệt được HẤP THỤ (nước nóng lên) nên q dương.
Nhiệt lượng kế — đo nhiệt bằng thí nghiệm
Nhiệt lượng kế là bình cách nhiệt cho phép đo nhiệt trao đổi giữa hai chất. Trong thí nghiệm điển hình, một kim loại nóng được thả vào nước; nhiệt truyền từ kim loại sang nước cho đến khi cả hai đạt cùng nhiệt độ.
Nguyên lý CỐT LÕI: trong một hệ cách nhiệt, nhiệt vật nóng mất đi = nhiệt vật lạnh nhận vào.
−q_metal = q_water hoặc m_metal × c_metal × ΔT_metal = −m_water × c_water × ΔT_water
Nhờ đó, các em có thể tìm nhiệt dung riêng của một kim loại chưa biết chỉ dựa vào khối lượng và nhiệt độ.
Chuyển pha — nhiệt trao đổi mà nhiệt độ không đổi
Trong quá trình chuyển pha (nóng chảy, bay hơi, ngưng tụ, đông đặc), nhiệt độ giữ nguyên dù nhiệt được đưa vào hoặc lấy ra. Toàn bộ năng lượng dùng để phá hoặc hình thành lực liên phân tử, chứ không dùng để tăng năng lượng động.
Hai đại lượng quan trọng:
- Nhiệt nóng chảy (H_f) — năng lượng để nóng chảy 1 g chất rắn ở điểm nóng chảy. Nước: 334 J/g.
- Nhiệt bay hơi (H_v) — năng lượng để bay hơi 1 g chất lỏng ở điểm sôi. Nước: 2,260 J/g.
Bay hơi cần NHIỀU năng lượng hơn nóng chảy vì phải phá vỡ hoàn toàn lực liên phân tử (khi nóng chảy chỉ nới lỏng một phần). Đó là lý do bỏng do hơi nước tệ hơn nhiều so với bỏng do nước sôi — khi hơi nước ngưng tụ trên da, nó giải phóng 2,260 J/g TRƯỚC khi nước tạo thành thậm chí bắt đầu nguội đi.
Công thức tính nhiệt chuyển pha:
q = m × H_f (hoặc m × H_v)
Giản đồ năng lượng phản ứng
Giản đồ năng lượng biểu diễn năng lượng trên trục y và tiến trình phản ứng trên trục x. Các phần chuẩn:
- Mức năng lượng của chất phản ứng — năng lượng của các chất đầu.
- Năng lượng hoạt hóa (Ea) — "gò" năng lượng cần phải vượt qua để phản ứng xảy ra. Đo từ mức chất phản ứng lên đến đỉnh.
- Trạng thái chuyển tiếp — đỉnh của giản đồ, là một trung gian không bền.
- Mức năng lượng của sản phẩm — năng lượng của sản phẩm. Thấp hơn chất phản ứng → tỏa nhiệt. Cao hơn → thu nhiệt.
- ΔH — chênh lệch năng lượng giữa sản phẩm và chất phản ứng.
Chất xúc tác LÀM GIẢM năng lượng hoạt hóa (cung cấp đường đi khác), khiến phản ứng nhanh hơn nhưng KHÔNG thay đổi ΔH.
Nhiệt luôn truyền từ nóng → lạnh
Đây là định luật thứ hai của nhiệt động lực học ở dạng đời thường. Nhiệt tự nhiên truyền từ vùng NÓNG HƠN sang vùng LẠNH HƠN cho đến khi cả hai đạt cùng nhiệt độ (cân bằng nhiệt). Muốn bơm nhiệt theo chiều ngược lại (như tủ lạnh), phải thực hiện CÔNG.