- Phản ứng tỏa nhiệt là gì?
- Nguyên nhân phản ứng tỏa nhiệt
- Nguyên lý của phản ứng tỏa nhiệt
- Một số dấu hiệu nhận biết phản ứng tỏa nhiệt
- So sánh phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt
- Ví dụ về phản ứng tỏa nhiệt
- Phản ứng tỏa nhiệt có ứng dụng gì trong đời sống?
Phản ứng tỏa nhiệt là gì?
Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng hóa học trong đó năng lượng được giải phóng ra ngoài môi trường dưới dạng nhiệt (Ví dụ: phản ứng đốt cháy nhiên liệu, phản ứng tạo gỉ sắt, phản ứng oxi hóa glucose trong cơ thể,…). Phản ứng tỏa nhiệt thường kèm theo sự giải phóng nhiệt lượng và kéo theo sự thay thế các liên kết yếu bằng các liên kết mạnh hơn.
Trong nhiệt động hóa học, một phản ứng tỏa nhiệt là một "quá trình trong đó thay đổi entanpi tiêu chuẩn ΔH⚬ là âm" (Theo Bách khoa toàn thư mở Wikipedia).
Nguyên nhân phản ứng tỏa nhiệt
Nguyên nhân của phản ứng tỏa nhiệt là do sự thay thế các liên kết yếu bằng các liên kết mạnh hơn. Khi các liên kết yếu bị phá vỡ, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt. Khi các liên kết mạnh hơn được hình thành, năng lượng được hấp thụ từ môi trường.
Từ góc độ nhiệt động học, phản ứng tỏa nhiệt có ΔH<0, tức là năng lượng tự do của hệ giảm xuống. Điều này xảy ra khi năng lượng liên kết của các sản phẩm phản ứng nhỏ hơn năng lượng liên kết của các chất phản ứng.
Ví dụ:
- Phản ứng cháy là phản ứng giữa một chất cháy với oxi. Trong phản ứng này, các liên kết trong phân tử chất cháy bị phá vỡ và các nguyên tử trong phân tử chất cháy kết hợp với oxi để tạo thành các phân tử mới. Các liên kết trong các phân tử mới thường mạnh hơn các liên kết trong các phân tử chất cháy, do đó năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.
- Phản ứng nhiệt phân là phản ứng phân hủy một chất thành hai hoặc nhiều chất khác. Trong phản ứng này, các liên kết trong phân tử chất phản ứng bị phá vỡ và các nguyên tử trong phân tử chất phản ứng tách rời nhau. Các liên kết trong các phân tử sản phẩm phản ứng thường yếu hơn các liên kết trong phân tử chất phản ứng, do đó năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.
- Phản ứng tổng hợp là phản ứng tạo thành một chất mới từ hai hoặc nhiều chất khác. Trong phản ứng này, các nguyên tử từ các chất phản ứng kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử mới. Các liên kết trong các phân tử sản phẩm phản ứng thường mạnh hơn các liên kết trong các phân tử chất phản ứng, do đó năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.
Nguyên lý của phản ứng tỏa nhiệt
- Sự thay đổi năng lượng trong phản ứng tỏa nhiệt:
Sự thay đổi năng lượng trong phản ứng tỏa nhiệt là sự giảm năng lượng tự do của hệ (ΔG) dưới dạng nhiệt, điều này xảy ra khi năng lượng liên kết của các sản phẩm phản ứng nhỏ hơn năng lượng liên kết của các chất phản ứng. Từ góc độ nhiệt động học, phản ứng tỏa nhiệt có ΔH<0, tức là năng lượng tự do của hệ giảm xuống.
- Sự chuyển hóa năng lượng trong phản ứng tỏa nhiệt
Nguyên lý của phản ứng tỏa nhiệt là dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Theo định luật này, năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi, mà chỉ có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Trong phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt là do sự thay thế các liên kết yếu bằng các liên kết mạnh hơn. Khi các liên kết yếu bị phá vỡ, năng lượng được giải phóng ra. Khi các liên kết mạnh hơn được hình thành, năng lượng được hấp thụ từ môi trường.
Một số dấu hiệu nhận biết phản ứng tỏa nhiệt
- Phản ứng tỏa nhiệt thường đi kèm với sự tăng nhiệt độ của hệ.
- Phản ứng tỏa nhiệt thường đi kèm với sự bốc hơi của các sản phẩm phản ứng.
- Phản ứng tỏa nhiệt thường có thể tự duy trì.
- Các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng thường là phản ứng tỏa nhiệt
Để nhận biết một phản ứng là tỏa nhiệt khi làm thí nghiệm, ta có thể theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng bằng nhiệt kế. Nếu nhiệt độ của phản ứng tăng (giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt) thì đó là phản ứng tỏa nhiệt.
So sánh phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt
Phản ứng tỏa nhiệt:
- Là phản ứng hóa học trong đó năng lượng được giải phóng ra ngoài môi trường dưới dạng nhiệt.
- Quá trình tỏa nhiệt giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt ra ngoài môi trường.
- H là âm (< 0), vì nhiệt được tỏa ra.
Phản ứng thu nhiệt:
- Là phản ứng hóa học liên quan đến việc sử dụng năng lượng từ môi trường để hình thành liên kết hóa học mới.
- Quá trình thu nhiệt đòi hỏi hấp thu năng lượng từ môi trường dưới dạng nhiệt.
- H dương (> 0), vì nhiệt được hấp thụ.
Ví dụ về phản ứng tỏa nhiệt
- Phản ứng đốt nhiên liệu như xăng, dầu diesel hay cồn: Trong quá trình phản ứng cháy, những hợp chất hidrocarbon trong nhiên liệu phản ứng với khí oxi trong không khí, tạo ra nhiệt độ rất cao và giải phóng nhiều nhiệt năng.
- Phản ứng hóa học giữa axit và bazơ: Khi axit phản ứng với bazơ, nhiệt độ cũng tăng lên vì năng lượng nhiệt được tạo ra trong quá trình phản ứng. Ví dụ điển hình là phản ứng giữa axit clohidric (HCl) và bazơ hidroxit natri (NaOH) tạo thành nước (H2O) và muối (NaCl).
- Phản ứng giữa kim loại và axit: Khi một kim loại như nhôm (Al) phản ứng với axit hiđrocloric (HCl), phản ứng giải phóng nhiệt lượng lớn, làm nóng hỗn hợp chất lỏng.
- Phản ứng cháy:
+ Phản ứng cháy của gỗ: CH2O(s) + 1.5O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
+ Phản ứng cháy của nến: C2H2(g) + 2O2(g) → 2CO2(g) + 2H2O(g)
- Phản ứng nhiệt phân:
+ Nhiệt phân đá vôi: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
+ Nhiệt phân muối ăn: NaCl(s) → Na(s) + Cl2(g)
+ Nhiệt phân đường: C12H22O11(s) → 12C(s) + 11H2O(g)
- Phản ứng tổng hợp:
+ Tổng hợp nước: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
+ Tổng hợp amoniac: N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
+ Tổng hợp xăng: C6H12O6(s) → 6CO2(g) + 6H2O(g)
- Phản ứng nhiệt nhôm tỏa một lượng nhiệt rất lớn làm nóng chảy hỗn hợp chất phản ứng và sắt sinh ra:
- Phản ứng đốt cháy than tỏa một lượng nhiệt lớn giúp nấu chín thức ăn và sưởi ấm:
Phản ứng tỏa nhiệt có ứng dụng gì trong đời sống?
Trong đời sống và sản xuất, phản ứng tỏa nhiệt có rất nhiều ứng dụng quan trọng:
- Tạo ra năng lượng: Phản ứng cháy là phản ứng tỏa nhiệt phổ biến nhất được sử dụng để tạo ra năng lượng, nó được ứng dụng trong các nhà máy nhiệt điện, các động cơ đốt trong,... để cung cấp điện năng và động lực. Ví dụ: phản ứng cháy của xăng trong động cơ ô tô là phản ứng tỏa nhiệt cung cấp động lực cho ô tô.
- Sản xuất các chất hóa học: Phản ứng nhiệt phân và phản ứng tổng hợp là hai loại phản ứng tỏa nhiệt được sử dụng để sản xuất các chất hóa học. Phản ứng nhiệt phân được sử dụng để sản xuất vôi, xi măng,... Phản ứng tổng hợp được sử dụng để sản xuất amoniac, nhiên liệu sinh học,... Ví dụ: Phản ứng nhiệt phân của đá vôi (CaCO3) thành vôi (CaO) và khí cacbonic (CO2) là phản ứng tỏa nhiệt được sử dụng để sản xuất vôi. Hay phản ứng tổng hợp của khí nitơ (N2) và khí hydro (H2) thành amoniac (NH3) là phản ứng tỏa nhiệt được sử dụng để sản xuất amoniac.
- Nấu chín thức ăn: Phản ứng cháy được sử dụng để nấu chín thức ăn, chẳng hạn như nướng, chiên,...
- Sưởi ấm: Phản ứng cháy được sử dụng để sưởi ấm, chẳng hạn như dùng bếp lò, lò sưởi,...
- Tạo ra các sản phẩm tiêu dùng: Phản ứng tỏa nhiệt được sử dụng để tạo ra nhiều loại sản phẩm tiêu dùng, chẳng hạn như thuốc, mỹ phẩm,...