Quay lại danh sách
CHEMKhối 1224/05/2025

Tính Biến thiên enthalpy (ΔH) bằng Định luật Hess

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN: TÍNH BIẾN THIÊN ENTHALPY (ΔH) BẰNG ĐỊNH LUẬT HESS

I. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Biến thiên Enthalpy (ΔH)

  • Định nghĩa: Biến thiên enthalpy (ΔH) của một phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào của phản ứng đó ở điều kiện đẳng áp (áp suất không đổi).
  • Dấu của ΔH:
    • ΔH < 0: Phản ứng tỏa nhiệt (giải phóng nhiệt).
    • ΔH > 0: Phản ứng thu nhiệt (hấp thụ nhiệt).
  • Đơn vị: kJ hoặc kJ/mol.

1.2. Định luật Hess

  • Phát biểu: Biến thiên enthalpy của một phản ứng không phụ thuộc vào con đường phản ứng (số giai đoạn), mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ phản ứng.
  • Ý nghĩa: Cho phép tính toán ΔH của một phản ứng thông qua các phản ứng trung gian, ngay cả khi phản ứng đó khó thực hiện trực tiếp.

II. CÔNG THỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1. Công thức tổng quát của Định luật Hess

Cho phản ứng tổng quát:

A → B

Phản ứng này có thể xảy ra qua nhiều giai đoạn trung gian:

A → X₁ → X₂ → ... → B

Theo định luật Hess, biến thiên enthalpy của phản ứng tổng quát bằng tổng biến thiên enthalpy của các giai đoạn:

ΔH = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃ + ...

Trong đó:

  • ΔH là biến thiên enthalpy của phản ứng tổng quát (A → B).
  • ΔH₁, ΔH₂, ΔH₃,... là biến thiên enthalpy của các giai đoạn trung gian.

2.2. Các phương pháp tính ΔH dựa trên Định luật Hess

Có hai phương pháp chính để tính ΔH bằng Định luật Hess:

2.2.1. Phương pháp cộng đại số các phương trình nhiệt hóa học

  • Nguyên tắc: Sắp xếp các phương trình nhiệt hóa học đã biết sao cho khi cộng chúng lại, ta được phương trình nhiệt hóa học của phản ứng cần tính ΔH.
  • Các bước thực hiện:
    1. Xác định phản ứng cần tính ΔH.
    2. Tìm các phương trình nhiệt hóa học có liên quan đến phản ứng cần tính ΔH.
    3. Biến đổi (nhân, chia, đảo chiều) các phương trình nhiệt hóa học đã tìm được sao cho:
      • Các chất phản ứng và sản phẩm trong phương trình nhiệt hóa học cần tính ΔH phải xuất hiện trong các phương trình đã biến đổi.
      • Số mol của các chất phản ứng và sản phẩm trong các phương trình đã biến đổi phải tương ứng với số mol trong phương trình nhiệt hóa học cần tính ΔH.
      • Lưu ý quan trọng:
        • Khi nhân một phương trình nhiệt hóa học với một hệ số, ΔH cũng phải nhân với hệ số đó.
        • Khi chia một phương trình nhiệt hóa học cho một hệ số, ΔH cũng phải chia cho hệ số đó.
        • Khi đảo chiều một phương trình nhiệt hóa học, dấu của ΔH phải đổi ngược (từ dương sang âm hoặc từ âm sang dương).
    4. Cộng đại số các phương trình nhiệt hóa học đã biến đổi, ta sẽ được phương trình nhiệt hóa học cần tính ΔH.
    5. Cộng đại số các giá trị ΔH tương ứng, ta sẽ được ΔH của phản ứng cần tính.

Ví dụ 1: Cho các phương trình nhiệt hóa học sau:

(1) C(s) + O₂(g) → CO₂(g)    ΔH₁ = -393.5 kJ
(2) CO(g) + 1/2 O₂(g) → CO₂(g)  ΔH₂ = -283.0 kJ

Tính biến thiên enthalpy của phản ứng:

C(s) + 1/2 O₂(g) → CO(g)   ΔH = ?

Giải:

  1. Phản ứng cần tính ΔH: 
    C(s) + 1/2 O₂(g) → CO(g)
  2. Các phương trình nhiệt hóa học liên quan: (1) và (2)
  3. Biến đổi phương trình:
    • Giữ nguyên phương trình (1): 
      C(s) + O₂(g) → CO₂(g)    ΔH₁ = -393.5 kJ
    • Đảo chiều phương trình (2) và đổi dấu ΔH: 
      CO₂(g) → CO(g) + 1/2 O₂(g)  ΔH₂' = +283.0 kJ
  4. Cộng hai phương trình: 
    C(s) + O₂(g) + CO₂(g) → CO₂(g) + CO(g) + 1/2 O₂(g)
    Rút gọn: 
    C(s) + 1/2 O₂(g) → CO(g)
  5. Tính ΔH: 
    ΔH = ΔH₁ + ΔH₂' = -393.5 kJ + 283.0 kJ = -110.5 kJ
    Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng C(s) + 1/2 O₂(g) → CO(g) là -110.5 kJ.

Ví dụ 2: Tính ΔH của phản ứng:

N₂H₄(l) + 2H₂O₂(l) → N₂(g) + 4H₂O(l)   ΔH = ?

Biết:

(1) N₂(g) + 2H₂(g) → N₂H₄(l)  ΔH₁ = +95.4 kJ
(2) H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(l)  ΔH₂ = -285.8 kJ
(3) H₂(g) + O₂(g) → H₂O₂(l)  ΔH₃ = -196.4 kJ

Giải:

  1. Phản ứng cần tính ΔH: 
    N₂H₄(l) + 2H₂O₂(l) → N₂(g) + 4H₂O(l)
  2. Các phương trình nhiệt hóa học liên quan: (1), (2) và (3)
  3. Biến đổi phương trình:
    • Đảo chiều phương trình (1) và đổi dấu ΔH: 
      N₂H₄(l) → N₂(g) + 2H₂(g)  ΔH₁' = -95.4 kJ
    • Nhân phương trình (2) với 4: 
      4H₂(g) + 2O₂(g) → 4H₂O(l)  ΔH₂' = 4 * (-285.8 kJ) = -1143.2 kJ
    • Nhân phương trình (3) với 2: 
      2H₂(g) + 2O₂(g) → 2H₂O₂(l)  ΔH₃' = 2 * (-196.4 kJ) = -392.8 kJ
  4. Cộng ba phương trình: 
    N₂H₄(l) + 4H₂(g) + 2O₂(g) + 2H₂(g) + 2O₂(g) → N₂(g) + 2H₂(g) + 4H₂O(l) + 2H₂O₂(l)
    Rút gọn: 
    N₂H₄(l) + 2H₂O₂(l) → N₂(g) + 4H₂O(l)
  5. Tính ΔH: 
    ΔH = ΔH₁' + ΔH₂' + ΔH₃' = -95.4 kJ + (-1143.2 kJ) + (-392.8 kJ) = -1631.4 kJ
    Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng N₂H₄(l) + 2H₂O₂(l) → N₂(g) + 4H₂O(l) là -1631.4 kJ.

2.2.2. Phương pháp sử dụng enthalpy tạo thành chuẩn (ΔHf⁰)

  • Định nghĩa: Enthalpy tạo thành chuẩn (ΔHf⁰) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền nhất ở điều kiện chuẩn (298 K và 1 atm).
  • Enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất bền nhất: ΔHf⁰ = 0 kJ/mol
  • Công thức tính ΔH phản ứng: 
    ΔH⁰(phản ứng) = ΣΔH⁰f(sản phẩm) - ΣΔH⁰f(chất phản ứng)
    Trong đó:
    • ΔH⁰(phản ứng): Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng.
    • ΣΔH⁰f(sản phẩm): Tổng enthalpy tạo thành chuẩn của các sản phẩm, có nhân hệ số tỉ lượng.
    • ΣΔH⁰f(chất phản ứng): Tổng enthalpy tạo thành chuẩn của các chất phản ứng, có nhân hệ số tỉ lượng.

Ví dụ 3: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

Biết enthalpy tạo thành chuẩn của các chất:

ChấtΔH⁰f (kJ/mol)
CH₄(g)-74.8
CO₂(g)-393.5
H₂O(l)-285.8
O₂(g)0

Giải:

  1. Áp dụng công thức: 
    ΔH⁰(phản ứng) = ΣΔH⁰f(sản phẩm) - ΣΔH⁰f(chất phản ứng)
  2. Thay số: 
    ΔH⁰(phản ứng) = [ΔH⁰f(CO₂(g)) + 2*ΔH⁰f(H₂O(l))] - [ΔH⁰f(CH₄(g)) + 2*ΔH⁰f(O₂(g))]
ΔH⁰(phản ứng) = [-393.5 + 2*(-285.8)] - [-74.8 + 2*0]
ΔH⁰(phản ứng) = -890.3 kJ
    Vậy, biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng là -890.3 kJ.

Ví dụ 4: Cho phản ứng:

2Al(s) + Fe₂O₃(s) → Al₂O₃(s) + 2Fe(s)

Biết:

  • ΔHf⁰(Fe₂O₃) = -824.2 kJ/mol
  • ΔHf⁰(Al₂O₃) = -1675.7 kJ/mol
  • ΔH phản ứng = -851.5 kJ Tính ΔH tạo thành chuẩn của Fe. Giải:
  1. Áp dụng công thức: 
    ΔH⁰(phản ứng) = ΣΔH⁰f(sản phẩm) - ΣΔH⁰f(chất phản ứng)
  2. Thay số: 
    ΔH⁰(phản ứng) = [ΔH⁰f(Al₂O₃(s)) + 2*ΔH⁰f(Fe(s))] - [2*ΔH⁰f(Al(s)) + ΔH⁰f(Fe₂O₃(s))]
-851.5 kJ = [-1675.7 kJ/mol + 2*ΔH⁰f(Fe(s))] - [2*0 kJ/mol + (-824.2 kJ/mol)]
-851.5 kJ = -1675.7 kJ/mol + 2*ΔH⁰f(Fe(s)) + 824.2 kJ/mol
2*ΔH⁰f(Fe(s)) = -851.5 kJ + 1675.7 kJ/mol - 824.2 kJ/mol
2*ΔH⁰f(Fe(s)) = 0 kJ
ΔH⁰f(Fe(s)) = 0 kJ/mol

Vậy, ΔH tạo thành chuẩn của Fe là 0 kJ/mol.

III. BÀI TẬP VẬN DỤNG

  1. Cho các phương trình nhiệt hóa học sau:

    (1) 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)   ΔH₁ = -483.6 kJ
(2) 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)   ΔH₂ = -571.6 kJ

    Tính nhiệt hóa hơi của nước.

  2. Cho các phản ứng:

    (1) C(s) + O₂(g) → CO₂(g)       ΔH₁ = -393.5 kJ
(2) H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(l)  ΔH₂ = -285.8 kJ
(3) CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH₃ = -890.3 kJ

    Tính biến thiên enthalpy của phản ứng:

    C(s) + 2H₂(g) → CH₄(g)

  3. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:

    N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

    Biết enthalpy tạo thành chuẩn của NH₃(g) là -46.11 kJ/mol.

  4. Cho phản ứng:

    2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g)

    Biết:

    • ΔHf⁰(SO₂(g)) = -296.8 kJ/mol
    • ΔHf⁰(SO₃(g)) = -395.7 kJ/mol Tính ΔH phản ứng.

  5. Sử dụng dữ kiện enthalpy tạo thành chuẩn (tra cứu từ bảng số liệu) để tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethanol:

    C₂H₅OH(l) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(l)

IV. KẾT LUẬN

Định luật Hess là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán biến thiên enthalpy của các phản ứng hóa học. Việc nắm vững các phương pháp tính toán ΔH bằng Định luật Hess giúp học sinh giải quyết các bài tập một cách hiệu quả và hiểu sâu sắc hơn về bản chất của các quá trình nhiệt hóa học. Chúc các em học tốt!

Cần thêm bí kíp?

Khám phá hàng trăm thủ thuật học tập hiệu quả khác.

Xem tất cả thủ thuật