Trong lĩnh vực nhiệt hóa học xác định biến thiên năng lượng trong các phản ứng hóa học đóng vai trò vô cùng quan trọng. Tuy nhiên không phải mọi phản ứng đều có thể thực hiện hay đo trực tiếp lượng nhiệt sinh ra hay hấp thu. Lúc này một công cụ mạnh mẽ cực kỳ tiện lợi được sử dụng chính là định luật Hess. Là nguyên lý nền tảng trong tính toán nhiệt phản ứng thường xuyên xuất hiện trong các đề thi, bài tập với ứng dụng nghiên cứu thực tiễn. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ định luật Hess, cách áp dụng cùng những bài toán tiêu biểu gắn liền với nguyên lý này.
Khái niệm định luật Hess
Định luật Hess phát biểu rằng tổng enthalpy của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng. Nói cách khác nếu một phản ứng xảy ra qua nhiều bước trung gian thì tổng nhiệt phản ứng sẽ bằng tổng nhiệt của từng bước nhỏ.
Ví dụ nếu ta cần tính nhiệt phản ứng của A biến thành C biết rằng A biến thành B rồi B biến thành C với nhiệt phản ứng của từng bước thì chỉ cần cộng lại hai giá trị đó để biết được tổng enthalpy của phản ứng A thành C. Đây là một nguyên tắc rất hữu ích cho phép tính được nhiệt phản ứng ngay cả khi phản ứng thực tế không thể tiến hành trực tiếp trong phòng thí nghiệm.
Cơ sở lý thuyết
Tính chất cơ bản giúp định luật Hess trở nên chính xác là enthalpy là một hàm trạng thái. Nghĩa là biến thiên của nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối không phụ thuộc vào quá trình trung gian diễn ra như thế nào. Do đó miễn là trạng thái đầu và cuối giống nhau mọi đường phản ứng đều dẫn đến cùng một lượng biến thiên năng lượng.
Chính điều này giúp các nhà hóa học sử dụng phản ứng phụ hoặc phản ứng đốt cháy chuẩn để xây dựng chuỗi phản ứng thay thế từ đó suy ra được nhiệt phản ứng mong muốn.
Các bước áp dụng định luật Hess
Để áp dụng định luật Hess trong tính toán nhiệt phản ứng cần tuân thủ quy trình gồm ba bước chính.
Thứ nhất là xác định rõ phản ứng cần tính nhiệt. Phải viết đúng phương trình hóa học có cân bằng hệ số ghi rõ chất tham gia với sản phẩm.
Thứ hai là lựa chọn các phản ứng phụ có sẵn dữ liệu về enthalpy. Các phản ứng này có thể là phản ứng đốt cháy, phản ứng phân hủy, bất kỳ phản ứng nào có liên quan chứa các chất có mặt trong phản ứng chính.
Thứ ba là điều chỉnh các phương trình phụ sao cho khi cộng lại ta thu được đúng phương trình phản ứng chính. Trong quá trình này nếu đảo chiều phản ứng thì phải đổi dấu giá trị enthalpy. Nếu nhân hệ số vào phương trình cũng phải nhân tương ứng với giá trị enthalpy. Cuối cùng là cộng tất cả các giá trị enthalpy đã chỉnh sửa để thu được kết quả cần tìm.
Ví dụ minh họa
Giả sử cần tính nhiệt phản ứng cho phản ứng sau
- C2H2 cộng với H2 tạo ra C2H4
- Phản ứng chính: C2H2 cộng H2 thành C2H4
Biết rằng
- C2H2 cộng 5/2O2 thành 2CO2 cộng H2O có ΔH bằng âm 1300 kilojoule
- H2 cộng 1/2O2 thành H2O có ΔH bằng âm 286 kilojoule
- C2H4 cộng 3O2 thành 2CO2 cộng 2H2O có ΔH bằng âm 1410 kilojoule
Bằng cách đảo chiều phản ứng thứ ba cộng với hai phản ứng đầu ta thu được phản ứng mong muốn. Khi đó ΔH của phản ứng cần tính là tổng ΔH của các phản ứng phụ sau điều chỉnh. Kết quả là ΔH bằng âm 1300 cộng âm 286 cộng dương 1410 bằng âm 176 kilojoule.
Dạng bài tập phổ biến
Các dạng bài tập thường gặp với định luật Hess bao gồm
- Tính nhiệt phản ứng từ phản ứng phụ
- Tính nhiệt phản ứng từ enthalpy tạo thành chuẩn
- Tính enthalpy tạo thành của một chất khi biết nhiệt phản ứng và enthalpy tạo thành của các chất còn lại
- Tính nhiệt đốt cháy của chất khi biết dữ liệu phản ứng đốt cháy liên quan
Để làm tốt các bài tập này cần thành thạo việc xử lý phản ứng hóa học nắm rõ quy tắc cộng, trừ, nhân, chia phương trình phản ứng tương ứng với giá trị enthalpy. Ngoài ra cũng cần kỹ năng nhận diện chất trung gian để rút gọn chính xác phản ứng tổng.
Một số lưu ý khi sử dụng
Khi thực hiện phương pháp Hess, điều quan trọng là phải đảm bảo sự nhất quán giữa phương trình hóa học, giá trị năng lượng. Nếu có sai sót trong quá trình đảo chiều hoặc nhân hệ số mà không điều chỉnh enthalpy phù hợp kết quả sẽ sai lệch.
Ngoài ra, cần chú ý phân biệt giữa enthalpy tạo thành chuẩn, nhiệt phản ứng. Enthalpy tạo thành chuẩn là nhiệt phản ứng khi 1 mol chất được tạo thành từ các đơn chất trong điều kiện chuẩn. Còn nhiệt phản ứng là giá trị năng lượng thay đổi cho cả phản ứng theo đúng tỷ lệ mol.
Ứng dụng thực tế
Định luật Hess được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hóa học, công nghiệp, giáo dục. Trong nghiên cứu nó giúp xác định năng lượng liên kết kiểm tra khả năng xảy ra của phản ứng cũng như thiết kế quy trình hóa học hiệu quả. Trong công nghiệp nó được dùng để tối ưu hóa nhiệt lượng trong sản xuất từ đó tiết kiệm năng lượng kiểm soát an toàn. Trong giáo dục đây là một nội dung cơ bản trong chương trình hóa học trung học và đại học giúp học sinh hiểu rõ về bản chất năng lượng trong phản ứng hóa học.
Định luật Hess là một công cụ mạnh mẽ trong nhiệt hóa học. Cho phép tính toán chính xác biến thiên enthalpy của một phản ứng thông qua các phản ứng phụ. Với nguyên lý đơn giản nhưng hiệu quả cao định luật này không chỉ giúp giải bài tập trong học đường còn được ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu với công nghiệp hóa học. Việc hiểu sử dụng thành thạo định luật Hess là nền tảng không thể thiếu đối với bất kỳ ai muốn tiến xa trong lĩnh vực hóa học.