Trong nhiệt động lực học, thuật ngữ quá trình tỏa nhiệt mô tả một quá trình hoặc phản ứng giải phóng năng lượng từ hệ thống ra môi trường xung quanh, thường ở dạng nhiệt, nhưng cũng ở dạng ánh sáng (ví dụ như tia lửa, ngọn lửa hoặc đèn flash), điện (ví dụ như pin), hoặc âm thanh (ví dụ như tiếng nổ khi đốt hydro). Thuật ngữ tỏa nhiệt (exothermic) lần đầu tiên được Marcellin Berthelot đặt ra. Từ nguyên của nó đến từ tiếp đầu ngữ tiếng Hy Lạp έξω (exō, nghĩa là "ra ngoài") và từ tiếng Hy Lạp θερμικός (thermikόs, nghĩa là "nhiệt").[1] Đối lập với một quá trình tỏa nhiệt là một quá trình thu nhiệt (endothermic), một quá trình hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt.
Khái niệm này thường được áp dụng trong khoa học vật lý cho các phản ứng hóa học, trong đó như trong năng lượng liên kết hóa học sẽ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt (nhiệt). Tỏa nhiệt (và thu nhiệt) mô tả hai loại phản ứng hóa học hoặc hệ thống được tìm thấy trong tự nhiên, như sau: Nói một cách đơn giản, sau một phản ứng tỏa nhiệt, nhiều năng lượng đã được giải phóng ra môi trường xung quanh hơn là được hấp thụ để bắt đầu và duy trì phản ứng. Một ví dụ sẽ là đốt một ngọn nến, trong đó tổng lượng calo được tạo ra từ quá trình đốt cháy (được tìm thấy bằng cách nhìn vào sự tỏa nhiệt của môi trường xung quanh và ánh sáng nhìn thấy được tạo ra, bao gồm cả sự gia tăng nhiệt độ của nhiên liệu (sáp), với oxy, trở thành CO2 nóng và hơi nước) vượt quá số lượng calo được hấp thụ ban đầu khi thắp sáng ngọn lửa và trong ngọn lửa tự duy trì. (tức là một số năng lượng được tạo ra từ quá trình đốt cháy được tái hấp thu và sử dụng trong quá trình nóng chảy, sau đó làm bay hơi sáp, v.v. nhưng (vượt xa) năng lượng được tạo ra trong việc phá vỡ liên kết carbon-hydro và kết hợp oxy với carbon và hydro thu được).[2] Mặt khác, trong một phản ứng thu nhiệt hoặc hệ thống thu nhiệt, năng lượng được lấy từ môi trường xung quanh trong quá trình phản ứng. Một ví dụ về phản ứng nhiệt nội là gói lạnh sơ cứu, trong đó phản ứng của hai hóa chất, hoặc hòa tan lẫn nhau, đòi hỏi calo từ môi trường xung quanh, và phản ứng làm mát túi và môi trường xung quanh bằng cách hấp thụ nhiệt từ chúng. Quá trình quang hợp là một quá trình thu nhiệt: cây hấp thụ năng lượng bức xạ, từ ánh sáng mặt trời, sử dụng nó trong các phản ứng thu nhiệt (không tự phát) như tách CO2 và H2O và kết hợp carbon và hydro tạo ra để tạo ra cellulose và các hóa chất hữu cơ khác. Những sản phẩm này, ở dạng gỗ, sau đó, có thể được đốt trong lò sưởi, tỏa nhiệt, tạo ra CO2 và nước, và giải phóng năng lượng dự trữ của chúng (một quá trình ngược lại và tự phát) dưới dạng nhiệt và ánh sáng cho môi trường xung quanh, ví dụ, ở bên trong nhà và các ống khói. Quá trình tỏa nhiệt chỉ sự biến đổi mà một hệ kín giải phóng năng lượng (nhiệt) cho môi trường xung quanh, với biểu thức Q < 0.Khi quá trình biến đổi xảy ra ở áp suất không đổi và không có trao đổi năng lượng điện, nhiệt năng Q bằng thay đổi entanpi: ∆H < 0,[3]trong khi đó ở thể tích không đổi, theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, nó cũng bằng thay đổi nội năng, hay: ∆U = Q + 0 < 0.Trong một hệ đoạn nhiệt (tức là một hệ không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh), một quá trình tỏa nhiệt nếu xảy ra với hệ sẽ dẫn đến sự tăng nhiệt độ của hệ.[4][cần số trang] Trong các phản ứng hóa học tỏa nhiệt, nhiệt lượng tỏa ra bởi phản ứng ở dưới dạng năng lượng điện từ hoặc động năng của các phân tử. Sự chuyển mức năng lượng lượng tử của các electron làm cho ánh sáng (photon) được tỏa ra. Ánh sáng này tương đương về năng lượng với một phần năng lượng ổn định hóa cho phản ứng hóa học, hay năng lượng liên kết, sau khi được phát ra có thể bị hấp thụ bởi các phân tử khác trong dung dịch để gây ra chuyển động tịnh tiến và quay của các phân tử, dẫn đến nhiệt theo nghĩa cổ điển. Trong phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng cần thiết để phát sinh phản ứng ít hơn năng lượng cuối cùng được tỏa ra, do đó có trên tổng thể có sự giải phóng năng lượng. Một phản ứng nhiệt nhôm sử dụng sắt(III) oxide. Các hạt lửa bay ra là giọt sắt nóng chảy kèm theo khói trên đường đi. Một vài ví dụ về quá trình tỏa nhiệt gồm:[5]
Các phản ứng hóa học tỏa nhiệt thường tự phát hơn quá trình ngược lại của chúng, phản ứng thu nhiệt. Trong các phản ứng hóa học thu nhiệt, nhiệt tỏa ra có thể được viết kèm theo các sản phẩm của phản ứng.
Bạn đang xem: viết phương trình nhiệt hóa học của phản ứng Tại Lingocard.vn Kho Tài Liệu Toán Toán THCS ĐH Bách Khoa HCM ĐH Bách Khoa HN ĐH Khoa Học Tự Nhiên HCM Đại Học Ngoại Thương Đại Học Kinh Tế Quốc Dân ĐH Kinh Tế – ĐHQG Hà Nội Điện-Điện Tử Java Toán Cao Cấp Python Việc làm/thực tập Bộ sưu tập Bài viết Ủng hộ admin Trần Minh Hương Bài giảng Hóa Đại Cương PHẦN II. CÁC QUY LUẬT DIỄN RA CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC CHƯƠNG IV: HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC NHIỆT PHẢN ỨNG Các khái niệm cơ bản Khái niệm về nhiệt động lực học và nhiệt động hóa học Nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng, đặc biệt là những quy luật có liên quan tới các biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác. Cơ sở lý thuyết của nó là 2 nguyên lý của nhiệt động lực học Nhiệt động hóa học: là lãnh vực khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến chuyển tương hỗ của hóa năng và các dạng năng lượng trong quá trình hóa học Nhiệt động hóa học cho phép giải quyết nhiều vấn đề quan trọng của hóa học: Xác định năng lượng liên kết Dự đoán chiều hướng diễn ra của quá trình hóa học Dự đoán mức độ tự diễn ra của quá trình hóa học và từ đó có thể xác định được hiệu suất của phản ứng Hệ nhiệt động: là lượng nhất định của một hay nhiều chất ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và nồng độ nhất định. Phần còn lại của vũ trụ bao quanh hệ được gọi là môi trường. Hệ + Môi trường xung quanh = Vũ trụ Người ta phân biệt: Hệ hở: là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng (nhiệt và công) với môi trường. Hệ kín: là hệ không có sự trao đổi chất mà chỉ có sự trao đổi năng lượng với môi trường, và thể tích của nó có thể thay đổi Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường Hệ đồng thể: là hệ có các tính chất hóa lý giống nhau ở mọi điểm của hệ Hệ dị thể: là hệ có bề mặt phân chia hệ thành những phần có tính chất hóa lý khác nhau. Pha: là phần đồng thể của hệ dị thể, có thành phần, cấu tạo, tính chất nhất địnhvà được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia nào đó. Như vậy hệ đồng thể là hệ một pha, còn hệ dị thể là hệ nhiều pha. Hệ cân bằng: là hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian. Trạng thái và các thông số của hệ: Trạng thái của hệ được xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất hóa lý của hệ Thông số trạng thái: là tất cả các thông số đặc trưng cho hệ và cho mối liên hệ giữa hệ và môi trường xung quanh (T, P, V, nội năng U, số mol n của mỗi chất trong hệ, và bất kỳ thông số suy diễn nào có được từ các thông số trạng thái). Các thông số trạng thái liên hệ với nhau bằng các phương trình trạng thái. Các thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình. Các thông số trạng thái được chia thành hai loại: dung độ và cường độ. Thông số cường độ: là những thông số không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ T, áp suất p, nồng độ C, mật độ, tỷ khối, thể tích riêng, thể tích mol… Các thông số cường độ đặc trưng cho hệ vì không có tính cộng Thông số dung độ (khuyếch độ) là những thông số phụ thuộc vào lượng chất, như khối lượng m, thể tích V, nội năng U, entalpi, entropi … Với các hệ lý tưởng các thông số khuyếch độ có tính cộng; nghĩa là khuyếch độ của hệ bằng tổng khuyếch độ của các hợp phần. Ví dụ V = Vi Trạng thái cân bằng: là trạng thái tương ứng với hệ cân bằng khi các thông số trạng thái giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian. Hàm trạng thái: là đại lượng nhiệt động có giá trị chỉ phụ thuộc các thông số trạng thái của hệ mà không phụ thuộc vào cách biến đổi (đường đi) của hệ: T, P, V, U… Hàm quá trình: là các thông số phụ thuộc vào đường đi của quá trình: Q, A… Trạng thái chuẩn của chất tương ứng các điều kiện chuẩn: Chất phải tinh khiết và ở trạng thái liên hợp bền dưới áp suất và nhiệt độ chuẩn. Nếu là chất rắn phải ở dạng đa hình bền ở điều kiện nhiệt độ, áp suất chuẩn. Nếu là chất khí thì phải là khí lý tưởng ở áp suất chuẩn. Nếu là chất ở trong dung dịch thì nồng độ của nó phải là 1 mol/lít. Áp suất chuẩn là 101,325 kPa (tương ứng 1 atm) Nhiệt độ chuẩn có thể là nhiệt độ bất kỳ, nhưng thực tế thường lấy nhiệt độ 298,15K (tương ứng 250 C) Quá trình: là sự biến đổi xảy ra trong hệ gắn liền với sự thay đổi của ít nhất là một thông số trạng thái. Quá trình thuận nghịch: là quá trình có thể xảy ra theo 2 chiều ngược nhau và tương đối chậm, sao cho ở mỗi thời điểm người ta có thể biết được trạng thái của hệ. Quá trình thuận và quá trình nghịch cùng đi theo một con đường và do đó hệ không gây ra một biến đổi nào về môi trường xung quanh. Quá trình bất thuận nghịch: là quá trình không tuân theo các điều kiện trên. Tất cả các quá trình tự diễn ra trong tự nhiên đều là bất thuận nghịch. Quá trình đẳng áp: p = const Quá trình đẳng tích: V = const Quá trình đẳng nhiệt: T = const Quá trình đoạn nhiệt : Q = const. Hệ không trao đổi nhiệt song có thể trao đổi công với môi trường xung quanh. Các đại lượng nhiệt động Nội năng U: Nội năng của một chất chỉ dự trữ năng lượng của chất đó, bao gồm năng lượng của tất cả các dạng chuyển động của nguyên tử (tịnh tiến, quay, dao động), của electron và hạt nhân, năng lượng chứa đựng trong hạt nhân nguyên tử và thế năng của nó ở trong trọng trường. Nói cách khác, nội năng là năng lượng toàn phần của hệ trừ động năng và thế năng toàn hệ. Đơn vị đo: J/mol; cal/mol 1 cal = 4,184J Người ta không thể xác định được trị tuyệt đối của nội năng (vì không thể đưa hệ về nhiệt độ 0 tuyệt đối), nhưng dựa vào năng lượng phát ra hay thu vào của một hệ người ta có thể suy ra một cách chính xác độ biến thiên nội năng U của hệ khi chuyển từ trạng thái có nội năng U1 sang trạng thái có nội năng U2 : U = U2 – U1 Khi truyền một nhiệt lượng Q cho hệ, trong trường hợp chung, lượng nhiệt đó sẽ dùng để làm tăng nội năng của hệ (hệ nóng lên) và thực hiện một công dãn nở A: Q = U + A Công dãn nở A = P V = U + P V Nếu quá trình là đẳng tích: V = 0 (công dãn nở A = 0) Q V = U → Trong quá trình đẳng tích, nếu hệ không thực hiện một công nào khác thì nhiệt lượng Q V cung cấp cho hệ sẽ làm thay đổi nội năng U của hệ. Đang xem: Viết phương trình nhiệt hóa học của phản ứng Tuy nhiên các phản ứng hóa học thường được thực hiện ở áp suất không đổi của khí quyển là 1 atm Entanpi H Trong trường hợp áp suất không đổi ta có: Q p = U +P V mà U = U 2 – U 1 V = V 2 – V 1 Nên : Q p = (U 2 – U 1 ) + P(V 2 – V 1 ) = (U 2 – PV 2 ) – (U 1 + PV 1 ) đặt : H = U + PV. H được gọi là entanpi và cũng là một thông số trạng thái của hệ. H bao gồm U và khả năng sinh công tiềm ẩn của hệ. Vậy H là dự trữ năng lượng toàn phần của hệ. Vậy: Q p = H 2 – H 1 = H → Trong quá trình đẳng áp, nếu hệ không thực hiện công nào khác ngoài công dãn nở thì nhiệt lượng Q p cung cấp cho hệ sẽ làm thay đổi entanpi của hệ Đơn vị đo: kJ/mol Nhiệt dung Nhiệt dung của một chất là lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của chất lên thêm 10 Nhiệt dung riêng – nhiệt dung của 1 mol chất Đơn vị đo: J/mol.K  Mà: Q p = H Q V = U Nên: Đối với các khí lý tưởng: Cp – CV = R II. PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC 1. Nhiệt của các quá trình hóa học a. Hiệu ứng nhiệt Hiệu ứng nhiệt: là lượng nhiệt mà hệ thu vào hay phát ra trong quá trình hóa học dùng để thay đổi nội năng hoặc entanpi của hệ Thông thường các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện đẳng áp nên hiệu ứng của nhiệt phản ứng hóa học chính là độ thay đổi entanpi H Trong các phản ứng chỉ có chất lỏng và chất rắn tham gia: V 0. Nếu những phản ứng này được thực hiện ở áp suất tương đối bé như áp suất khí quyển thì P V 0 nên H U Trong các phản ứng có chất phản ứng hay sản phẩm là chất khí, H và U có thể khác nhau Đối với khí lý tưởng: PV = nRT Nên: P V = RT n Khi n = 0 thì H = U n 0 thì H U b. Xem thêm: Cách Tính Diện Tích Ký Hiệu Là Gì ? Công Thức Tính Và Bài Tập Ví Dụ Liên Phương trình nhiệt hóa học Phương trình nhiệt hóa học là phương trình phản ứng hóa học thông thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm Quy ước: Phản ứng thu nhiệt có H > 0 Phản ứng tỏa nhiệt có H < 0 Dự đoán chiều hướng diễn ra của phản ứng hóa học: Trong điều kiện bình thường, phản ứng tỏa nhiệt ( H < 0) là phản ứng có khả tự xảy ra c. Nhiệt tiêu chuẩn: L ượng chất: 1 mol Nhiệt độ: T Ký hiệu Áp suất: 1 atm Ví dụ: Zn(r) + 2HCl(dd) = ZnCl2(dd) + H2(k), = -152.6kJ/mol ½ H 2(k) + ½ Cl 2(k) = HCl (k) = -92,8kJ/mol C (gr) + H 2 O (k) = CO (k) + H 2(k), = + 131,3 kJ/mol Chú ý: hiệu ứng nhiệt tỷ lệ với lượng chất phản ứng và sản phẩm H 2(k) + Cl 2(k) = 2 HCl (k) = – 185,6kJ/mol d. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình Nhiệt tạo thành: là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền nhất Ký hiệu nhiệt tạo thành tiêu chuẩn: Nhiệt tạo thành của các đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn được nhận bằng 0 Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn là giá trị tra bảng Nhận xét: Nhiệt tạo thành của đa số các chất là âm, nhưng cũng có một số ít có giá trị dương. Nhiệt tạo thành của hợp chất càng âm, hợp chất càng bền. các hợp chất có nhiệt tạo thành dương thường kém bền trong tự nhiên. Trong cùng một dãy đồng đẳng, khối lượng phân tử càng tăng nhiệt tạo thành càng tăng. Đối với các hợp chất vô vơ, nhiệt tạo thành của các hợp chất cùng loại của nhóm nguyên tố trong bảng HTTH cũng thay đổi một cách có quy luật (ví dụ nhiệt tạo thành của dãy BeF2 – MgF2 – CaF2 … tăng dần) Nhiệt đốt cháy: là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy bằng oxy 1 mol chất hữu cơ để tạo thành khí CO2 , nước lỏng và một số sản phẩm khác. Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn của các hợp chất hữu cơ là giá trị tra bảng Nhận xét: Tất cả các chất đều có nhiệt đố cháy âm. Nhiệt đốt cháy của một chất thường lớn hơn nhiệt tạo thành của nó và có giá trị trên 400 kJ Nhiệt của các quá trình chuyển pha Ví dụ: – Quá trình thăng hoa: I 2 (r) = I 2 (k) 62,44 kJ – Quá trình bay hơi: H 2 O( ℓ ) = H 2 O(k) 44,01 kJ – Quá trình nóng chảy: AlBr 3 (r) = AlBr 3 ( ℓ ) 11,33 kJ – Quá trình chuyển từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể: B 2 O 3 (vđh) = B 2 O 3 (tt) 18,39 kJ – Quá trình chuyển biến đa hình của Carbon từ dạng grafit sang kim cương: C(gr) = C(kc) 1,895 kJ Nhiệt hòa tan là hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan 1 mol chất tan vào trong dung môi. Quá trình hòa tan đa số là thu nhiệt, nhưng cũng có một số ít là tỏa nhiệt. Bản chất chất tan hầu như không có ảnh hưởng rõ ràng đến nhiệt hòa tan. Nhiệt hòa tan tương đối nhỏ và thường có giá trị khoảng 40kJ. Nhưng hiệu ứng nhiệt hòa tan lại chịu ảnh hưởng rất lớn của lượng và bản chất dung môi. Ví dụ: H 2 SO 4 ( ℓ ) + H 2 O( ℓ ) = H 2 SO 4 .H 2 O(dd) -28,05 kJ/mol H 2 SO 4 ( ℓ ) + 100H 2 O( ℓ ) = H 2 SO 4 .100H 2 O(dd) -73,32 kJ/mol H 2 SO 4 ( ℓ ) + 10 4 H 2 O( ℓ ) = H 2 SO 4 .10 4 H 2 O(dd) -86,23 kJ/mol H 2 SO 4 ( ℓ ) + H 2 O( ℓ ) = H 2 SO 4 . H 2 O(dd) -95,18 kJ/mol Nhiệt phân ly: là hiệu ứng nhiệt của quá trình phân ly 1 mol chất thành các nguyên tử ở trạng thái khí Nhiệt phân ly của các chất thường dương và có giá trị lớn 2. Định luật nhiệt Hess và hệ quả a. Định luật Hess: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa là không phụ thuộc vào số lượng và đặc điểm của các chất giai đoạn trung gian. Xem thêm: Nhắc Việc Trong Excel – Nhắc Lịch Làm Việc Trên Excel!!! → có thể cộng hay trừ những phương trình nhiệt hóa như những phương trình đại số. b. Hệ quả 1 Biết nhiệt tạo thành từ các nguyên tố của các chất sau đây: 2Al (r) + 3/2O 2(k) = Al 2 O 3 (1) kJ/mol S (r) + 3/2 O 2(k) = SO 3(k) (2) = -396,1kJ/mol 2Al (r) + 3S (r) + 6O 2(k) = Al 2 (SO 4 ) 3 (r), (3) = -3442 kJ/mol Ta có thể tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau: Al 2 O 3 (r) + 3SO 3(k) ) = Al 2 (SO 4 ) 3 (r), (4) = ? giải: ta có (4) = (3) – <(1)> → = → Phát biểu: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu c. Hệ quả 2 : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các chất đầu trừ đi tổng đốt cháy của các sản phẩm phản ứng d. Hệ quả 3 (định luật Lavoisier – La Place): Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch. Xem thêm bài viết thuộc chuyên mục: Phương trình |
