Trong hóa học một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến tốc độ với chiều hướng phản ứng là nhiệt độ. Cân bằng hóa học không phải là trạng thái bất biến mà phụ thuộc vào nhiều điều kiện môi trường xung quanh đặc biệt là nhiệt độ. Để dự đoán sự thay đổi của cân bằng khi nhiệt độ thay đổi người ta sử dụng định luật Van’t Hoff. Là một định luật quan trọng giúp phân tích dự báo hành vi của hệ phản ứng trong điều kiện khác nhau. Bài viết này sẽ làm rõ khái niệm với nội dung cùng công thức với ý nghĩa ứng dụng của định luật Van’t Hoff trong đời sống công nghiệp.
Khái niệm về định luật Van’t Hoff
Jacobus Henricus van’t Hoff là một trong những nhà khoa học tiên phong trong lĩnh vực hóa học vật lý. Ông đã phát hiện ra mối liên hệ giữa hằng số cân bằng với nhiệt độ trong một phản ứng hóa học. Theo ông khi thay đổi nhiệt độ giá trị của hằng số cân bằng cũng thay đổi. Thể hiện phản ứng hóa học không hoàn toàn ổn định mà có thể bị dịch chuyển theo chiều thuận hay nghịch tùy thuộc vào tính chất nhiệt của phản ứng.
Nội dung định luật Van’t Hoff
Định luật Van’t Hoff chỉ ra rằng nếu biết trước hằng số cân bằng của một phản ứng tại một nhiệt độ nào đó ta có thể tính được giá trị mới của hằng số cân bằng tại một nhiệt độ khác với điều kiện biết được enthalpy tiêu chuẩn của phản ứng. Là một biểu thức toán học mô tả sự thay đổi hằng số cân bằng theo nhiệt độ.
Trong trường hợp phản ứng thu nhiệt tức phản ứng hấp thụ năng lượng từ môi trường khi tăng nhiệt độ thì hằng số cân bằng tăng cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận. Ngược lại trong phản ứng tỏa nhiệt tức phản ứng giải phóng năng lượng ra môi trường tăng nhiệt độ làm hằng số cân bằng giảm thì cân bằng bị đẩy về chiều nghịch.
Hệ số nhiệt độ trong động học hóa học
Ngoài tác động đến cân bằng hóa học nhiệt độ còn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Hệ số nhiệt độ là một khái niệm thường đi kèm khi nói về định luật Van’t Hoff trong động học. Thông thường khi tăng nhiệt độ thêm mười độ C tốc độ phản ứng tăng gấp hai đến bốn lần. Con số này gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff. Là một quy luật thực nghiệm được sử dụng để ước tính nhanh sự thay đổi tốc độ phản ứng trong phòng thí nghiệm với trong sản xuất công nghiệp.
Ứng dụng của định luật Van’t Hoff
Định luật Van’t Hoff được áp dụng rộng rãi trong cả nghiên cứu lẫn sản xuất thực tiễn. Trong công nghiệp hóa học điều chỉnh nhiệt độ của phản ứng đóng vai trò quyết định đến hiệu suất cùng tốc độ tạo ra sản phẩm. Ví dụ như trong quá trình tổng hợp amoniac từ nitơ với hiđro thì phản ứng là tỏa nhiệt nên khi giảm nhiệt độ sẽ giúp tăng hiệu suất phản ứng thuận. Tuy nhiên nếu nhiệt độ giảm quá nhiều thì tốc độ phản ứng cũng giảm mạnh. Do đó người ta phải chọn nhiệt độ tối ưu để vừa đạt hiệu suất cao vừa đảm bảo tốc độ sản xuất.
Trong phòng thí nghiệm định luật Van’t Hoff giúp sinh viên lẫn nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa nhiệt độ cùng trạng thái cân bằng. Từ đó đưa ra cách thiết kế thí nghiệm hợp lý để quan sát điều chỉnh chiều chuyển dịch của cân bằng.
Ngoài ra định luật còn giúp tính toán các đại lượng nhiệt động như enthalpy hay entropy thông qua lập đồ thị giữa logarit của hằng số cân bằng với nghịch đảo của nhiệt độ. Là công cụ phân tích phổ biến trong các nghiên cứu hóa học vật lý nâng cao.
Giới hạn của định luật Van’t Hoff
Mặc dù rất hữu ích định luật Van’t Hoff vẫn có những giới hạn nhất định. Một trong những giả thiết quan trọng khi áp dụng định luật này là enthalpy của phản ứng không thay đổi theo nhiệt độ. Trên thực tế nhiều phản ứng có sự thay đổi enthalpy khi nhiệt độ biến động lớn khiến kết quả tính toán không còn chính xác nếu áp dụng máy móc.
Ngoài ra định luật Van’t Hoff không áp dụng được cho những hệ phản ứng không đạt trạng thái cân bằng hay bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoài như chất xúc tác hay áp suất hay thay đổi thể tích đột ngột.
Ví dụ minh họa
Một phản ứng tổng quát giữa hai chất A với B tạo thành chất C được thực hiện ở hai nhiệt độ khác nhau. Tại nhiệt độ thấp hằng số cân bằng K nhỏ cho thấy lượng C tạo thành chưa nhiều. Khi tăng nhiệt độ nếu phản ứng thu nhiệt thì K sẽ tăng đáng kể dẫn đến lượng C tăng lên lúc này phản ứng được thúc đẩy theo chiều thuận.
Từ thực nghiệm nếu người nghiên cứu xác định được K ở hai nhiệt độ khác nhau thì họ có thể vẽ đồ thị logarit K theo nghịch đảo nhiệt độ để xác định được enthalpy của phản ứng. Là một ứng dụng đơn giản nhưng rất hiệu quả trong xác định đặc trưng nhiệt động của các phản ứng hóa học.
Định luật Van’t Hoff là một trong những định luật nền tảng giúp lý giải dự đoán sự thay đổi của cân bằng phản ứng theo nhiệt độ. Dù đơn giản về hình thức nhưng ý nghĩa của nó rất sâu rộng đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu hóa học trong giảng dạy với cả trong công nghiệp. Khi được sử dụng đúng cách định luật này trở thành một công cụ đắc lực giúp nhà hóa học kiểm soát tối ưu hóa các phản ứng cần thiết trong sản xuất đời sống. Hiểu rõ định luật Van’t Hoff là bước quan trọng để xây dựng kiến thức vững chắc trong lĩnh vực hóa học hiện đại.
Từ khóa van’t van t