Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học – Lý thuyết

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt

Khi phản ứng hóa học xảy ra, luôn có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.

$$\boxed{\text{Phản ứng tỏa nhiệt: giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt ra môi trường.}}$$

$$\boxed{\text{Phản ứng thu nhiệt: hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường.}}$$

Ví dụ thực tế:

Phản ứng tỏa nhiệt Phản ứng thu nhiệt
Đốt cháy than, củi → không khí ấm hơn Pha viên sủi vitamin C → nước trong cốc mát hơn
Phản ứng trung hòa HCl + NaOH Nhiệt phân đá vôi ($\text{CaCO}_3$)
Tôi vôi ($\text{CaO} + \text{H}_2\text{O}$) Nhiệt phân $\text{KMnO}_4$ (cần đun nóng liên tục)

Quy luật chung: Các phản ứng xảy ra được ở nhiệt độ phòng thường là phản ứng tỏa nhiệt. Các phản ứng thu nhiệt thường cần được đun nóng hoặc cung cấp năng lượng liên tục.

Lưu ý an toàn: Sự đốt cháy nhiên liệu (xăng, dầu, gas…) tỏa nhiều nhiệt, dễ gây hỏa hoạn, thậm chí nổ mạnh → cần tuân thủ nghiêm ngặt nguyên tắc phòng cháy.

2. Biến thiên enthalpy của phản ứng

a) Khái niệm

Hầu hết các phản ứng trong thực tế diễn ra ở áp suất không đổi. Nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào trong điều kiện đó được gọi là biến thiên enthalpy (hay nhiệt phản ứng), kí hiệu $\Delta_rH$.

Phương trình nhiệt hóa học là phương trình hóa học có ghi kèm trạng thái của các chất và giá trị $\Delta_rH$.

Các kí hiệu trạng thái: $(s)$ – rắn, $(l)$ – lỏng, $(g)$ – khí, $(aq)$ – dung dịch.

Ví dụ 1 – Phản ứng tỏa nhiệt:

$$2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -571{,}6 \text{ kJ}$$

Đốt cháy 2 mol $\text{H}_2$ bằng 1 mol $\text{O}_2$, tạo 2 mol nước lỏng, giải phóng 571,6 kJ nhiệt.

Ví dụ 2 – Phản ứng thu nhiệt:

$$\text{Cu(OH)}_2(s) \xrightarrow{t^\circ} \text{CuO}(s) + \text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = +9{,}0 \text{ kJ}$$

Nhiệt phân 1 mol $\text{Cu(OH)}_2$ cần hấp thụ 9,0 kJ nhiệt.

b) Biến thiên enthalpy chuẩn

Biến thiên enthalpy phụ thuộc vào điều kiện phản ứng (nhiệt độ, áp suất, trạng thái). Để so sánh giữa các phản ứng, người ta quy về điều kiện chuẩn:

  • Áp suất: 1 bar (với chất khí)
  • Nồng độ: 1 mol/L (với chất tan)
  • Nhiệt độ: thường chọn 25°C (298 K)

Kí hiệu: $\Delta_rH^\circ_{298}$

Ví dụ:

$$\text{C}(\text{graphite}) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2(g) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -393{,}5 \text{ kJ}$$

c) Ý nghĩa của dấu và giá trị

Dấu Ý nghĩa
$\Delta_rH < 0$ Phản ứng tỏa nhiệt (giải phóng nhiệt ra môi trường)
$\Delta_rH > 0$ Phản ứng thu nhiệt (hấp thụ nhiệt từ môi trường)

Giá trị tuyệt đối $|\Delta_rH|$ càng lớn → nhiệt lượng tỏa ra (hoặc thu vào) càng nhiều.

Ví dụ so sánh:

$$\text{CH}_4(g) + 2\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -890 \text{ kJ}$$

$$\text{CH}_3\text{OH}(l) + \tfrac{3}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -726 \text{ kJ}$$

→ Đốt 1 mol methane (16 g) tỏa ra nhiều nhiệt hơn đốt 1 mol methanol (32 g), vì $|-890| > |-726|$.

3. Nhiệt tạo thành

a) Khái niệm

Nhiệt tạo thành ($\Delta_fH$) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo ra 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững nhất, trong một điều kiện xác định.

Nhiệt tạo thành chuẩn: $\Delta_fH^\circ_{298}$ – nhiệt tạo thành ở điều kiện chuẩn.

Quy ước quan trọng: Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng 0.

$$\Delta_fH^\circ_{298}(\text{O}_2(g)) = 0; \quad \Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2(g)) = 0; \quad \Delta_fH^\circ_{298}(\text{C}(\text{graphite})) = 0$$

Lưu ý: Carbon ở dạng bền nhất là graphite (không phải kim cương). Vì phản ứng $\text{C}(\text{kim cương}) \rightarrow \text{C}(\text{graphite})$ có $\Delta_rH^\circ_{298} = -1{,}9$ kJ < 0 → graphite có mức năng lượng thấp hơn, bền hơn. Do đó, khi xác định nhiệt tạo thành của $\text{CO}_2$, carbon phải ở dạng graphite.

Ví dụ:

$$\text{H}_2(g) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(l) \qquad \Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2\text{O}(l)) = -285{,}8 \text{ kJ/mol}$$

$$\tfrac{1}{2}\text{N}_2(g) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{NO}(g) \qquad \Delta_fH^\circ_{298}(\text{NO}(g)) = +90{,}3 \text{ kJ/mol}$$

b) Bảng nhiệt tạo thành chuẩn

Chất $\Delta_fH^\circ_{298}$ (kJ/mol) Chất $\Delta_fH^\circ_{298}$ (kJ/mol)
$\text{AgCl}(s)$ $-127{,}0$ $\text{HCl}(g)$ $-92{,}3$
$\text{BaCl}_2(s)$ $-806{,}1$ $\text{HI}(g)$ $+25{,}9$
$\text{BaSO}_4(s)$ $-1\ 465{,}0$ $\text{H}_2\text{O}(l)$ $-285{,}8$
$\text{CaCl}_2(s)$ $-795{,}0$ $\text{H}_2\text{O}(g)$ $-241{,}8$
$\text{CaCO}_3(s)$ $-1\ 206{,}9$ $\text{KCl}(s)$ $-436{,}7$
$\text{CaO}(s)$ $-635{,}1$ $\text{KOH}(s)$ $-424{,}8$
$\text{CH}_4(g)$ $-74{,}9$ $\text{Fe}_2\text{O}_3(s)$ $-825{,}5$
$\text{C}_2\text{H}_6(g)$ $-84{,}7$ $\text{NaCl}(s)$ $-411{,}1$
$\text{C}_2\text{H}_2(g)$ $+227{,}0$ $\text{NaOH}(s)$ $-425{,}6$
$\text{CO}(g)$ $-110{,}5$ $\text{NH}_3(g)$ $-45{,}9$
$\text{CO}_2(g)$ $-393{,}5$ $\text{O}_3(g)$ $+143{,}0$
$\text{Ca(OH)}_2(s)$ $-986{,}1$ $\text{SO}_2(g)$ $-296{,}8$
$\text{HBr}(g)$ $-36{,}3$ $\text{SO}_3(l)$ $-441{,}0$

4. Công thức tính biến thiên enthalpy

a) Theo nhiệt tạo thành

$$\boxed{\Delta_rH^\circ_{298} = \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sản phẩm}) – \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{chất đầu})}$$

Lưu ý: Phải nhân nhiệt tạo thành của mỗi chất với hệ số tương ứng trong phương trình. Nhiệt tạo thành của đơn chất bền = 0.

b) Theo năng lượng liên kết (áp dụng khi các chất đều ở thể khí)

$$\boxed{\Delta_rH^\circ_{298} = \sum E_b(\text{chất đầu}) – \sum E_b(\text{sản phẩm})}$$

Chú ý thứ tự: Công thức theo năng lượng liên kết có thứ tự ngược so với công thức theo nhiệt tạo thành: $E_b(\text{cđ}) – E_b(\text{sp})$.

Giải thích: Phá vỡ liên kết trong chất đầu cần cung cấp năng lượng ($+E_b$), tạo liên kết mới trong sản phẩm giải phóng năng lượng ($-E_b$). Nếu năng lượng tạo liên kết mới lớn hơn năng lượng phá liên kết cũ → phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta_rH < 0$).

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Nhận biết phản ứng tỏa nhiệt / thu nhiệt – Tính nhiệt lượng đơn giản

Phương pháp:

Cách 1 – Dựa vào dấu $\Delta_rH$:

  • $\Delta_rH < 0$ → tỏa nhiệt
  • $\Delta_rH > 0$ → thu nhiệt

Cách 2 – Dựa vào thực tế:

  • Phản ứng cần đun nóng liên tục mới xảy ra → thường là thu nhiệt
  • Phản ứng xảy ra được ở nhiệt độ phòng, tự duy trì → thường là tỏa nhiệt

Tính nhiệt lượng theo tỉ lệ mol: Nếu phương trình cho biết $\Delta_rH$ ứng với hệ số nhất định, ta tính tỉ lệ theo số mol thực tế.

Bài mẫu 1 (SGK câu 2): Cho các phương trình nhiệt hóa học:

(1) $\text{CaCO}_3(s) \rightarrow \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = +176{,}0$ kJ

(2) $\text{C}_2\text{H}_4(g) + \text{H}_2(g) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6(g) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -137{,}0$ kJ

(3) $\text{Fe}_2\text{O}_3(s) + 2\text{Al}(s) \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3(s) + 2\text{Fe}(s) \qquad \Delta_rH^\circ_{298} = -851{,}5$ kJ

Phản ứng nào tỏa nhiệt, phản ứng nào thu nhiệt?

Giải:

  • (1): $\Delta_rH = +176{,}0 > 0$ → thu nhiệt
  • (2): $\Delta_rH = -137{,}0 < 0$ → tỏa nhiệt
  • (3): $\Delta_rH = -851{,}5 < 0$ → tỏa nhiệt

Bài mẫu 2 (SGK câu 3): Đốt cháy CO: $\text{CO}(g) + \tfrac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g)$, $\Delta_rH^\circ_{298} = -283{,}0$ kJ.

Nếu đốt cháy hoàn toàn 2,479 L khí CO (đkc), nhiệt lượng tỏa ra là bao nhiêu?

Giải:

$$n_{\text{CO}} = \frac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1 \text{ mol}$$

Phương trình cho biết đốt 1 mol CO tỏa 283,0 kJ. Vậy đốt 0,1 mol CO:

$$Q = 0{,}1 \times 283{,}0 = \boxed{28{,}3 \text{ kJ}}$$

Dạng 2: Tính biến thiên enthalpy theo nhiệt tạo thành

Phương pháp:

Bước 1: Viết phương trình hóa học (có hệ số cân bằng, ghi trạng thái).

Bước 2: Tra bảng $\Delta_fH^\circ_{298}$ của từng chất. Đơn chất bền → $\Delta_fH^\circ_{298} = 0$.

Bước 3: Áp dụng công thức:

$$\Delta_rH^\circ_{298} = \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sp}) – \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{cđ})$$

Nhớ nhân mỗi giá trị nhiệt tạo thành với hệ số tương ứng.

Bài mẫu 1 (SGK ví dụ 2 – Đốt quặng pyrite):

$$4\text{FeS}_2(s) + 11\text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3(s) + 8\text{SO}_2(g)$$

Cho: $\Delta_fH^\circ_{298}$: $\text{FeS}_2(s) = -177{,}9$; $\text{Fe}_2\text{O}_3(s) = -825{,}5$; $\text{SO}_2(g) = -296{,}8$ (kJ/mol).

Giải:

Tổng nhiệt tạo thành chất đầu:

$$\sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{cđ}) = (-177{,}9) \times 4 + 0 \times 11 = -711{,}6 \text{ kJ}$$

Tổng nhiệt tạo thành sản phẩm:

$$\sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sp}) = (-825{,}5) \times 2 + (-296{,}8) \times 8 = -1\,651{,}0 + (-2\,374{,}4) = -4\,025{,}4 \text{ kJ}$$

Biến thiên enthalpy:

$$\Delta_rH^\circ_{298} = -4\,025{,}4 – (-711{,}6) = \boxed{-3\,313{,}8 \text{ kJ}}$$

Phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta_rH < 0$).

Bài mẫu 2 (SGK câu 6): Tính $\Delta_rH^\circ_{298}$ của phản ứng đốt cháy ethane:

$$\text{C}_2\text{H}_6(g) + \tfrac{7}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{CO}_2(g) + 3\text{H}_2\text{O}(l)$$

Cho: $\Delta_fH^\circ_{298}$: $\text{C}_2\text{H}_6(g) = -84{,}7$; $\text{CO}_2(g) = -393{,}5$; $\text{H}_2\text{O}(l) = -285{,}8$ (kJ/mol).

Giải:

$$\sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{cđ}) = (-84{,}7) \times 1 + 0 \times \tfrac{7}{2} = -84{,}7 \text{ kJ}$$

$$\sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sp}) = (-393{,}5) \times 2 + (-285{,}8) \times 3 = -787{,}0 + (-857{,}4) = -1\,644{,}4 \text{ kJ}$$

$$\Delta_rH^\circ_{298} = -1\,644{,}4 – (-84{,}7) = \boxed{-1\,559{,}7 \text{ kJ}}$$

Dạng 3: Tính biến thiên enthalpy theo năng lượng liên kết

Phương pháp:

Điều kiện áp dụng: Tất cả các chất (đầu và sản phẩm) đều ở thể khí.

Bước 1: Viết công thức cấu tạo đầy đủ của các chất để xác định rõ các liên kết cần phá vỡ và tạo mới.

Bước 2: Liệt kê và tính tổng năng lượng liên kết trong chất đầu: $\sum E_b(\text{cđ})$.

Bước 3: Liệt kê và tính tổng năng lượng liên kết trong sản phẩm: $\sum E_b(\text{sp})$.

Bước 4: Áp dụng:

$$\Delta_rH^\circ_{298} = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp})$$

Bài mẫu 1 (SGK câu 7a): Tính $\Delta_rH^\circ_{298}$ của phản ứng:

$$\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{NO}(g)$$

Cho: $E_b(\text{N} \equiv \text{N}) = 945$ kJ/mol; $E_b(\text{O} = \text{O}) = 494$ kJ/mol; $E_b(\text{N} = \text{O}) = 607$ kJ/mol.

Giải:

$$\sum E_b(\text{cđ}) = E_b(\text{N} \equiv \text{N}) + E_b(\text{O} = \text{O}) = 945 + 494 = 1\,439 \text{ kJ}$$

$$\sum E_b(\text{sp}) = 2 \times E_b(\text{N} = \text{O}) = 2 \times 607 = 1\,214 \text{ kJ}$$

$$\Delta_rH^\circ_{298} = 1\,439 – 1\,214 = \boxed{+225 \text{ kJ}}$$

$\Delta_rH > 0$ → phản ứng thu nhiệt → giải thích vì sao $\text{N}_2$ chỉ phản ứng với $\text{O}_2$ ở nhiệt độ rất cao hoặc cần tia lửa điện để cung cấp năng lượng.

Bài mẫu 2 (SGK ví dụ 2 – Cộng $\text{H}_2$ vào ethene):

$$\text{C}_2\text{H}_4(g) + \text{H}_2(g) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6(g)$$

Cho: $E_b(\text{C=C}) = 612$; $E_b(\text{C–C}) = 346$; $E_b(\text{C–H}) = 418$; $E_b(\text{H–H}) = 436$ (kJ/mol).

Giải:

Xác định các liên kết:

  • Chất đầu: $\text{C}_2\text{H}_4$ có 1 liên kết $\text{C=C}$ và 4 liên kết $\text{C–H}$; $\text{H}_2$ có 1 liên kết $\text{H–H}$.
  • Sản phẩm: $\text{C}_2\text{H}_6$ có 1 liên kết $\text{C–C}$ và 6 liên kết $\text{C–H}$.

$$\sum E_b(\text{cđ}) = 612 + 4 \times 418 + 436 = 2\,720 \text{ kJ}$$

$$\sum E_b(\text{sp}) = 346 + 6 \times 418 = 2\,854 \text{ kJ}$$

$$\Delta_rH^\circ_{298} = 2\,720 – 2\,854 = \boxed{-134 \text{ kJ}}$$

Phản ứng tỏa nhiệt.

III. Bảng sai lầm thường gặp

# Sai lầm Đính chính
1 Nhầm lẫn dấu: $\Delta_rH < 0$ là thu nhiệt $\Delta_rH < 0$ → tỏa nhiệt (năng lượng giải phóng ra, hệ mất năng lượng nên enthalpy giảm)
2 Quên nhân hệ số khi tính theo nhiệt tạo thành Phải nhân $\Delta_fH^\circ_{298}$ với hệ số trong phương trình. Ví dụ: $2\text{CO}_2$ → nhân $\Delta_fH^\circ_{298}(\text{CO}_2)$
3 Áp dụng công thức năng lượng liên kết cho chất lỏng/rắn Công thức $\Delta_rH = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp})$ chỉ áp dụng khi tất cả các chất đều ở thể khí
4 Nhầm thứ tự công thức: theo nhiệt tạo thành ghi sp – cđ nhưng theo năng lượng liên kết cũng ghi sp – cđ Hai công thức có thứ tự ngược nhau: nhiệt tạo thành là $\text{sp} – \text{cđ}$, năng lượng liên kết là $\text{cđ} – \text{sp}$
5 Nhiệt tạo thành của $\text{O}_2(g)$ khác 0 $\text{O}_2(g)$ là đơn chất ở dạng bền nhất → $\Delta_fH^\circ_{298} = 0$
6 Trong phản ứng xác định nhiệt tạo thành $\text{CO}_2$, dùng carbon kim cương Carbon ở dạng bền nhất là graphite. Kim cương có năng lượng cao hơn graphite 1,9 kJ/mol
7 $\Delta_rH > 0$ nên phản ứng không xảy ra được Phản ứng thu nhiệt ($\Delta_rH > 0$) vẫn xảy ra nếu được cung cấp đủ năng lượng (đun nóng, tia lửa điện…)
8 Khối lượng phân tử lớn hơn thì đốt tỏa nhiệt nhiều hơn Không đúng. Ví dụ: 1 mol $\text{CH}_4$ (16 g) tỏa 890 kJ, nhiều hơn 1 mol $\text{CH}_3\text{OH}$ (32 g) chỉ tỏa 726 kJ
9 $\text{H}_2\text{O}(l)$ và $\text{H}_2\text{O}(g)$ có cùng nhiệt tạo thành Khác nhau: $\Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2\text{O}(l)) = -285{,}8$ kJ/mol nhưng $\Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2\text{O}(g)) = -241{,}8$ kJ/mol. Trạng thái ảnh hưởng đến giá trị
10 Quên đếm đủ số liên kết C–H khi tính theo năng lượng liên kết Phải viết công thức cấu tạo đầy đủ trước khi đếm. Ví dụ: $\text{C}_2\text{H}_4$ có 4 liên kết C–H (không phải 2), $\text{C}_2\text{H}_6$ có 6 liên kết C–H

IV. Sơ đồ tư duy

BIẾN THIÊN ENTHALPY TRONG PHẢN ỨNG HÓA HỌC

1. Phản ứng tỏa nhiệt – thu nhiệt

  • Tỏa nhiệt: giải phóng nhiệt ra môi trường ($\Delta_rH < 0$)
  • Thu nhiệt: hấp thụ nhiệt từ môi trường ($\Delta_rH > 0$)
  • $|\Delta_rH|$ càng lớn → nhiệt lượng trao đổi càng nhiều

2. Biến thiên enthalpy ($\Delta_rH$)

  • Nhiệt lượng tỏa ra / thu vào ở áp suất không đổi
  • Phương trình nhiệt hóa học: PTHH + trạng thái + $\Delta_rH$

3. Điều kiện chuẩn

  • Áp suất 1 bar, nồng độ 1 mol/L, nhiệt độ 25°C (298 K)
  • Kí hiệu: $\Delta_rH^\circ_{298}$

4. Nhiệt tạo thành ($\Delta_fH$)

  • Biến thiên enthalpy tạo 1 mol chất từ đơn chất bền nhất
  • Đơn chất bền nhất: $\Delta_fH = 0$
  • Carbon bền nhất: graphite (không phải kim cương)

5. Hai công thức tính

  • Theo nhiệt tạo thành: $\Delta_rH^\circ_{298} = \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sp}) – \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{cđ})$
  • Theo năng lượng liên kết (thể khí): $\Delta_rH^\circ_{298} = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp})$

6. Ứng dụng

  • So sánh nhiệt lượng tỏa ra khi đốt nhiên liệu
  • Xác định phản ứng cần/không cần cung cấp năng lượng
  • Tính năng lượng dinh dưỡng trên vỏ hộp thực phẩm
ThS. Lê Thị Mai Nhi

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ