Enthalpy 1: phản ứng thu-tỏa nhiệt VS xe hơi-xe đạp

Enthalpy là nội dung khó nuốt. Cứ hỏi các anh chị sinh viên đại học xem sẽ thấy (vì hồi xưa thời sinh viên, mình cũng vậy đó; sợ nội dung này lắm… Bây giờ vẫn sợ… he! he! he!).

Có điều, SGK lớp 10 mới năm nay (2022) có nội dung này; nên mình sẽ cố gắng hết sức để bài viết dễ hiểu nhất có thể (nhưng vẫn phải đảm bảo chính xác về khoa học; thế mới khó chớ!).

Enthalpy vỡ lòng, tự nhiên và dễ ẹt!

• Nếu bé cho tiền vào heo đất ⇒ tiền trong heo đất tăng lên.
• Nếu bé lấy tiền từ heo đất ⇒ tiền trong heo đất giảm xuống.

Bây giờ thay từ “bé” bằng “phản ứng/quá trình”; thay từ “tiền” bằng “nhiệt”. Các bé đọc và thử ngẫm nghĩ xem sao:

• Nếu chất/quá trình KHI phản ứng tỏa (cho) nhiệt vào môi trường xung quanh ⇒ nhiệt độ môi trường tăng lên (nóng lên). Ví dụ dễ thấy nhất là bếp gaz. Bình gaz chứa propan, butan (học ở lớp 11), khi 2 chất này phản ứng với O₂ có trong không khí (mà mình gọi là phản ứng cháy) sẽ tỏa nhiệt; vì vậy môi trường xung quanh (nồi-niêu-xoong-chảo, lẩu, canh, cơm, thịt, cá và cả không khí …) bị nóng lên. Ví dụ này cũng tương tự như khi mình đốt than, củi để nấu ăn.

• Nếu chất/quá trình KHI phản ứng thu (lấy) nhiệt của môi trường xung quanh ⇒ nhiệt độ môi trường giảm xuống (lạnh đi). Ví dụ dễ thấy nhất là dùng nước đá. Khi mình cho vài viên đá vào nước CocaCola, thấy đá tan ra-đồng thời ly nước trở nên lạnh. Lý do nước đá (ở thể rắn) khi chuyển thành nước lỏng, nó cần phải thu nhiệt-nước đá lấy nhiệt từ môi trường xung quanh là nước CocaCola; nói cách khác nước CocaCola “hiến tặng” nhiệt cho nước đá-vì thế, bản thân nước CocaCola mất nhiệt-điều khiến nó trở nên lạnh ngắt!

• Nhưng cũng có chất/quá trình KHI phản ứng không tỏa nhiệt hay thu nhiệt nha bạn. Ví dụ dễ thấy nhất là pha nước chanh, các bước làm như sau: [1] Hòa tan đường vào nước, thu được nước đường; rờ ly hổng thấy nóng hay lạnh! [2] Vắt vài nước cốt chanh vào; được ly nước chanh. Rờ ly cũng hổng thấy nóng hay lạnh luôn!

Vậy thực tế khi hoà tan [1] đường, [2] nước cốt chanh vào nước; không có sự thu hay tỏa nhiệt. Lưu ý về mặt lý thuyết, các quá trình này có thể thu-tỏa-không thu, không tỏa; mình cũng không biết luôn! Nên cần tìm học thêm, còn muốn cho đời vui thì các bé bỏ qua; để việc này cho các giáo sư tiến sỹ nha!.

Nếu mình thêm một chút muối ăn NaCl cho ly nước chanh mặn ngọt đậm đà, thì quá trình NaCl tan là thu nhiệt-nghĩa là nước sẽ trở nên lạnh 1 chút; nhưng điều này thực tế mình có thể hoàn toàn không cảm nhận được…

Bây giờ chúng mình sẽ nhìn thấy các quá trình thu – tỏa nhiệt trong cuộc sống.

Thu-tỏa nhiệt khi 1 chất chuyển thể (rắn-lỏng-hơi)

Đến đây, bé chưa cần hiểu về enthalpy, hãy kiên nhẫn! Ngoài ra, việc dùng dấu âm (−) khi tỏa nhiệt, dấu dương (+) khi thu nhiệt bé cứ chấp nhận trước, chưa cần hiểu; NHƯNG nếu có thể, bé suy nghĩ xem tại sao như vậy.

Chuyển thể có tỏa nhiệt

Trong tự nhiên, sự ngưng tụ HƠI NƯỚC thành NƯỚC LỎNG khi tạo mưa có giải phóng nhiệt.

H₂O_(g) → H₂O_(l) −nhiệt

Chuyển thể cần thu nhiệt

Ví dụ như trên khi chuyển thể của nước từ thể RẮN sang thể LỎNG, mình có thể biểu diễn là:

H₂O_(s) → H₂O_(l) +nhiệt

Và ai cũng biết, ở nhiệt độ phòng, nước không thể tự sôi. Điều này có nghĩa là nước LỎNG cần phải thu nhiệt để chuyển thành HƠI nước, mình ghi ngắn gọn là:

H₂O_(l) → H₂O_(g) +nhiệt

Một ví dụ khác: khi thoa cồn sát trùng (thể lỏng) lên da, bạn thấy da lạnh man mát đồng thời cồn bay hơi hết, không còn đọng lại trên da. Lý do cồn khi chuyển từ thể LỎNG sang thể HƠI, chúng cần thu nhiệt của môi trường xung quanh-chính là lớp da chỗ bôi cồn, ta bị mất nhiệt nên thấy lạnh man mát.

C₂H₅OH_(l) → C₂H₅OH_(g) +nhiệt

Thu-tỏa nhiệt khi hòa tan 1 chất vào nước

Đến đây, bạn vẫn chưa cần hiểu về enthalpy, hãy kiên nhẫn!

Túi chườm nóng (a hot pack)

Sử dụng túi chườm nóng để giảm đau hoặc giảm cứng cơ (khi bị chuột rút).

Nguyên lý: quá trình hòa tan Magnesium sulfate (MgSO₄) hoặc Calcium chloride (CaCl₂) vào nước là TỎA NHIỆT, khiến dung dịch thu được nóng ran!

Chế tạo: trong túi chườm nóng, người ta chia ra 2 ngăn riêng biệt; 1 ngăn chứa nước, 1 ngăn chứa MgSO₄ (hoặc CaCl₂).

Sử dụng: bằng cách bóp mạnh vào túi; bạn sẽ phá vỡ được vách ngăn cách giữa 2 ngăn trên; thế là nước và MgSO₄ trộn lẫn với nhau. Nhiệt độ của túi chườm nóng có thể lên tới 90⁰C nên bạn cần cẩn thận để không làm bỏng da. Túi chườm nóng sẽ tiếp tục cấp nhiệt trong khoảng 20 phút.

Biểu diễn: CaCl_2(s) —^nước→ Ca²⁺_(aq) + 2Cl^–_(aq) −nhiệt

Túi chườm lạnh (a cold pack)

Sử dụng túi chườm lạnh để điều trị vết sưng và vết bầm tím.

Nguyên lý: quá trình hòa tan Ammonium nitrate (NH₄NO₃) vào nước là THU NHIỆT, khiến dung dịch thu được lạnh ngắt!

Chế tạo: trong túi chườm lạnh, người ta chia ra 2 ngăn riêng biệt: 1 ngăn chứa nước, 1 ngăn chứa NH₄NO₃.

Sử dụng: bằng cách bóp mạnh vào túi; bạn sẽ phá vỡ được vách ngăn cách giữa 2 ngăn trên; thế là nước và NH₄NO₃ trộn lẫn với nhau.

Biểu diễn: NH₄NO_3(s) —^nước→ NH₄⁺_(aq) + NO₃^–_(aq) +nhiệt

Tương tự, sự hòa tan Ammonium chloride (NH₄Cl), Potassium chloride (KCl) vào nước cũng là quá trình thu nhiệt.

Thu-tỏa nhiệt khi xảy ra phản ứng hóa học, phản ứng hạt nhân

Đến đây, bạn vẫn chưa cần hiểu về enthalpy, hãy kiên nhẫn!

Phản ứng hạt nhân tỏa nhiệt rất lớn

Với các phản ứng hóa học thông thường; chúng mình chỉ đụng đến lớp vỏ electron ngoài cùng; nhưng ở phản ứng hạt nhân, chúng mình đụng đến tận hạt nhân sâu thẳm bên trong; eo ôi ghê lắm. Phản ứng hạt nhân luôn tỏa rất nhiều nhiệt, vì thế mà con người sử dụng bom hạt nhân có sức tàn phá ghê gớm.

Một phản ứng (tổng hợp) hạt nhân giúp duy trì sự sống của hành tinh chúng ta, chính là phản ứng đang xảy ra trên MẶT TRỜI, bé thấy không, phản ứng đó tỏa ra năng lượng dạng nhiệt và cả dạng ánh sáng trắng (ánh sáng nhìn thấy) và cả ánh sáng không nhìn thấy nữa (bé không cần thắc mắc, mình sẽ học về ánh sáng ở Vật lý 12). Một khi phản ứng hạt nhân này kết thúc, đồng nghĩa với sự sống hệ mặt trời sẽ thế nào…?. Điều thú vị khi nhạc sĩ Ngọc Châu viết bài hát “Nếu Điều Đó Xảy Ra” – có câu trả lời rất lãng mạn!

https://www.youtube.com/watch?v=3SAejlXjuy0

Phản ứng hóa học có tỏa nhiệt (an exothermic reaction)

• Calcium oxide và nước tạo calcium hydroxide và nhiệt.

CaO_(s) + H₂O_(l) → Ca(OH)_2(aq) −nhiệt

• Đốt củi, gỗ để cung cấp nhiệt từ phản ứng hóa học giữa O₂ không khí với cellulose – (C₆H₁₀O₅)_n (thành phần hóa học chính của gỗ) tạo ra carbon dioxide CO₂, hơi nước và nhiệt.

(C₆H₁₀Ọ₅)_n(s) + 6nO_2(g) → 6nCO_2(g) + 5nH₂O_(g) −nhiệt

• Sức mạnh dùng để phóng tên lửa vào vũ trụ là nhờ vào phản ứng hóa học tỏa nhiệt cao. Nhiên liệu tên lửa gồm ammonium perchlorate (NH₄ClO₄) và aluminum (Al). Phản ứng tạo aluminum oxide, hydrochloric acid hơi, khí dinitrogen, hơi nước và nhiệt.

6NH₄ClO_4(s) + 10Al_(s) → 5Al₂O_3(s) + 6HCl_(g) + 3N_2(g) + 9H₂O_(g) −nhiệt

Những đám mây trắng khổng lồ nhìn thấy phía đuôi tên lửa là sản phẩm bột Al₂O₃ phân tán trong hỗn hợp khí HCl, N₂ và hơi nước.

Phản ứng hóa học có thu nhiệt (an endothermic reaction)

Trong phản ứng quang hợp, thực vật hấp thụ năng lượng nhiệt từ ánh sáng mặt trời để biến đổi carbon dioxide và nước thành glucose và oxygen.

6CO_2(g) + 6H₂O_(l) → C₆H₁₂O_6(s) + 6O_2(g) +nhiệt

Nguồn gốc của năng lượng nhiệt tỏa ra, thu vào

• Đến đây, bạn vẫn chưa cần hiểu về enthalpy, hãy kiên nhẫn!
• Để dễ hiểu, mình xem Tiền chính là năng lượng lưu trữ trong bản thân chiếc xe; xe đạp là tiền nhỏ, xe hơi là tiền to!

Chúng mình thực hiện hai “phản ứng buồn cười” như sau:

[1] Bán xe hơi để mua xe đạp.

Sản phẩm là xe đạp và tiền dư ra (tỏa ra). Biểu đồ được vẽ ghê ghê như sau (cố hiểu nha bé, nếu khó quá …thì thôi!).

*Phản ứng “tỏa tiền” ghi là:

Xe hơi → Xe đạp −499 tr

Bây giờ mình bàn về dấu âm (−499 tr) trong phương trình trên:

*Một cách máy móc, ở các bài Enthalpy sau, các nhà hóa học qui định làm toán trừ, bằng cách lấy

Năng lượng sau phản ứng − Năng lượng trước phản ứng

• Áp dụng: Xe hơi (500 tr) → Xe đạp (1 tr),
• Vậy ta có (1 tr − 500 tr) = −499 tr ; chính là con số mình ghi vào phương trình.

*Lý tưởng, mình có thể hiểu ý nghĩa của dấu âm (thể hiện 1 sự giảm sút) theo các cách sau: Khi xe hơi thành xe đạp,

• năng lượng của xe hơi đã bị tỏa ra (bị mất, bị giảm) 499 tr!
• xe đạp ít hơn (âm hơn) xe hơi 499 tr!
• phương tiện đã bị mất giá 499 tr!

[2] Ngược lại, bán xe đạp để mua xe hơi.

Có phải bạn buộc phải bù thêm (thu vào) tiền hay không? Biểu đồ được vẽ ghê ghê như sau (cố hiểu nha bé, nếu khó quá …thì thôi! hoặc hỏi thầy cô nha bé).

*Phản ứng “thu tiền” ghi là:

Xe đạp → Xe hơi +499 tr

Bây giờ mình bàn về dấu dương (+499 tr) trong phương trình trên:

*Một cách máy móc, ở các bài Enthalpy sau, các nhà hóa học qui định làm toán trừ, bằng cách lấy

Năng lượng sau phản ứng − Năng lượng trước phản ứng

• Áp dụng: Xe đạp (1 tr) → Xe hơi (500 tr),
• Vậy ta có (500 tr − 1 tr) = +499 tr ; chính là con số mình ghi vào phương trình.

*Lý tưởng, mình có thể hiểu ý nghĩa của dấu dương (thể hiện sự tăng trưởng) theo các cách sau: Khi xe đạp thành xe hơi,

• năng lượng của xe đạp phải được thu vào (thêm vào, tăng thêm) 499 tr!
• xe hơi nhiều hơn (dương hơn) xe đạp 499 tr!
• phương tiện đã được tăng giá thêm 499 tr!

Tương tự, nhiệt đến từ năng lượng lưu trữ trong

các liên kết hóa học của phân tử chất phản ứng (E_{chất pư}) và năng lượng lưu trữ trong các liên kết hóa học của phân tử chất sản phẩm (E_{chất sp}). Bạn cứ xem NĂNG LƯỢNG tương đương với TIỀN như ở trên để hiểu.

Một phản ứng ghi đơn giản là Chất phản ứng → Chất sản phẩm. Để tính lượng nhiệt tỏa ra hay thu vào, các nhà hóa học qui định làm toán trừ (nhưng hiểu ý nghĩa thì tuyệt vời hơn!), bằng cách lấy

E _{chất sản phẩm (sau)} − E _{chất phản ứng (trước)}

Khi đó, dễ dàng (!) ta hiểu:

• Trong phản ứng tỏa nhiệt, đương nhiên do E_{chất pư} > E_{chất sp} ; bài toán trừ ra số âm Biểu diễn phản ứng là

Chất phản ứng → Chất sản phẩm − nhiệt

• Trong phản ứng thu nhiệt, tình hình được đảo ngược, tức là E_{chất pư} < E_{chất sp} ; bài toán trừ ra số dương. Biểu diễn phản ứng là

Chất phản ứng → Chất sản phẩm + nhiệt

Tóm tắt bài vỡ lòng về enthalpy

Nhiệt là năng lượng dự trữ (ẩn dấu) trong các liên kết hóa học của phân tử hóa chất (giống như tiền là năng lượng ẩn dấu trong chiếc xe hơi, xe đạp).

Phản ứng tỏa nhiệt: bản thân chất KHI phản ứng tỏa nhiệt ra môi trường (vì thế mà nhiệt độ môi trường tăng – nóng lên).

Phản ứng thu nhiệt: bản thân chất KHI phản ứng hấp thụ nhiệt của môi trường (vì thế mà nhiệt độ môi trường giảm – lạnh đi).

Tài liệu tham khảo thêm về enthalpy

Đến đây, bạn vẫn chưa hiểu về enthalpy, hãy kiên nhẫn! Đọc tiếp bài viết sau ở Enthalpy 2 để hiểu.

Mời các em đọc thêm các bài viết cao cấp về Enthalpy tiếng Anh tại (lưu ý không dành cho người yếu tim!):

• sciencedirect.com
• chem.libretexts.org
• grc.nasa.gov

Liên kết nhanh

Đọc thêm các bài viết của Hóa lớp 10 tại đây.

Tác giả: Đỗ Trọng Toan từ W3chem.com

Mình là người tự mình thực hiện toàn bộ dự án này – bao gồm xây dựng trang web, viết nội dung, tìm tài liệu tham khảo, trả lời câu hỏi bạn gởi về. Vui lòng xem xét QUYÊN GÓP để hỗ trợ W3chem CHỈ BẰNG CÁCH CHIA SẺ BÀI VIẾT NÀY LÊN MẠNG XÃ HỘI; bởi vì trong tương lai, bạn sẽ cho mình nhiều thời gian để làm việc trên W3chem, cũng có nghĩa bạn nhận thêm nhiều nội dung mới nhanh hơn tại đây.😍 🥰 😘

Mình cảm ơn bạn rất nhiều ⤵