Phản ứng toả nhiệt, thu nhiệt và phương trình nhiệt hoá học

Cho ba phản ứng ở điều kiện chuẩn:

(a) $\mathrm{N_2(g)} + 3\mathrm{H_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{NH_3(g)}$, $\Delta_rH^\circ_{298} = -92\ \text{kJ}$; (b) $\mathrm{CaCO_3(s)} \rightarrow \mathrm{CaO(s)} + \mathrm{CO_2(g)}$, $\Delta_rH^\circ_{298} = +178{,}3\ \text{kJ}$; (c) đốt cháy than trong không khí.

Phản ứng nào thu nhiệt?

Giải. Phản ứng (b) có $\Delta_rH>0$ nên là thu nhiệt: hệ hấp thụ $178{,}3\ \text{kJ}$ từ môi trường cho mỗi mol $\mathrm{CaCO_3}$ bị nung. Phản ứng (a) có $\Delta_rH<0$ nên toả nhiệt. Than cháy làm lò nóng lên, nên (c) cũng toả nhiệt. Đáp án: chỉ (b).

Cho vài viên vôi sống $\mathrm{CaO}$ vào cốc nước, thấy cốc nóng lên rõ rệt:

$$\mathrm{CaO(s)} + \mathrm{H_2O(l)} \rightarrow \mathrm{Ca(OH)_2(s)}.$$

Dấu của $\Delta_rH$ là gì? Phản ứng nghịch (nung $\mathrm{Ca(OH)_2}$ ra $\mathrm{CaO}$ và hơi nước) thu hay toả nhiệt, biết $\Delta_rH^\circ_{298}$ của phản ứng thuận là $-65{,}2\ \text{kJ}$?

Giải. Cốc nóng lên nên toả nhiệt, $\Delta_rH<0$ (khớp $-65{,}2\ \text{kJ}$). Phản ứng nghịch đổi dấu: $\Delta_rH = +65{,}2\ \text{kJ}$, thu nhiệt; đó là lí do muốn chuyển $\mathrm{Ca(OH)_2}$ về $\mathrm{CaO}$ phải nung.

Đốt cháy $1$ mol $\mathrm{CH_4}$ toả $890{,}2\ \text{kJ}$. Đổi ra J, ra kcal ($1\ \text{cal} = 4{,}184\ \text{J}$), và cho biết đốt $2$ mol thì toả bao nhiêu kJ, bằng bao nhiêu kWh.

Giải.

• Ra J: $890{,}2 \times 1000 = 8{,}902\times10^{5}\ \text{J}$.
• Ra kcal: $\dfrac{890{,}2\times1000}{4{,}184} \approx 212{,}8\ \text{kcal}$.
• Đốt $2$ mol: $2\times 890{,}2 = 1780{,}4\ \text{kJ}$.
• Ra kWh: $\dfrac{1780{,}4}{3600} \approx 0{,}4946\ \text{kWh}$, làm tròn $0{,}495\ \text{kWh}$.

Từ $2\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\mathrm{H_2O(l)}$, $\Delta_rH^\circ_{298} = -571{,}6\ \text{kJ}$, tìm $\Delta_rH^\circ_{298}$ của: (a) $4\mathrm{H_2(g)} + 2\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 4\mathrm{H_2O(l)}$; (b) $2\mathrm{H_2O(l)} \rightarrow 2\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)}$; (c) tạo $1$ mol $\mathrm{H_2O(l)}$.

Giải.

1. (a) Nhân đôi phương trình nên nhân đôi $\Delta_rH$: $2\times(-571{,}6) = -1143{,}2\ \text{kJ}$.
2. (b) Đảo chiều nên đổi dấu: $+571{,}6\ \text{kJ}$ (thu nhiệt, cần điện phân hay nung rất nóng).
3. (c) Chia cho hệ số $2$ của nước: $-571{,}6/2 = -285{,}8\ \text{kJ}$ cho mỗi mol $\mathrm{H_2O(l)}$, tức $-285{,}8\ \text{kJ/mol}$.