PHẢN ỨNG TỎA NHIỆT: ĐẶC ĐIỂM, PHƯƠNG TRÌNH VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Một phản ứng thu nhiệt là một trong đó sẽ diễn ra phải hấp thụ năng lượng, dưới dạng nhiệt hoặc bức xạ, từ môi trường xung quanh. Nói chung, nhưng không phải lúc nào, chúng có thể được nhận biết bằng sự giảm nhiệt độ của môi trường xung quanh chúng; hoặc ngược lại, chúng cần một nguồn nhiệt, chẳng hạn như nguồn thu được từ ngọn lửa đang cháy.

Sự hấp thụ năng lượng hoặc nhiệt là điểm chung của tất cả các phản ứng thu nhiệt; bản chất của chúng, cũng như các phép biến đổi liên quan, rất đa dạng. Chúng phải hấp thụ bao nhiêu nhiệt? Câu trả lời phụ thuộc vào nhiệt động lực học của nó: nhiệt độ mà phản ứng xảy ra một cách tự phát.

Băng thạch tan chảy. Nguồn: Pixabay

Ví dụ, một trong những phản ứng thu nhiệt biểu tượng nhất là sự thay đổi trạng thái từ nước đá sang nước lỏng. Nước đá cần hấp thụ nhiệt cho đến khi nhiệt độ của nó đạt xấp xỉ 0ºC; ở nhiệt độ đó, sự tan chảy của nó trở nên tự phát, và băng sẽ hấp thụ cho đến khi tan chảy hoàn toàn.

Trong không gian nóng, chẳng hạn như trên bờ biển, nhiệt độ cao hơn và do đó băng hấp thụ nhiệt nhanh hơn; nghĩa là, nó tan chảy nhanh hơn. Sự tan chảy của các sông băng là một ví dụ về phản ứng thu nhiệt không mong muốn.

Tại sao nó xảy ra theo cách này? Tại sao nước đá không thể xuất hiện dưới dạng chất rắn nóng? Câu trả lời nằm ở động năng trung bình của các phân tử nước ở cả hai trạng thái và cách chúng tương tác với nhau thông qua các liên kết hydro của chúng.

Trong nước lỏng, các phân tử của nó có chuyển động tự do lớn hơn trong nước đá, nơi chúng dao động đứng yên trong các tinh thể của nó. Để di chuyển, các phân tử phải hấp thụ năng lượng theo cách mà dao động của chúng phá vỡ các liên kết hydro định hướng mạnh mẽ trong băng.

Vì lý do này, nước đá hấp thụ nhiệt để tan chảy. Để "băng nóng" tồn tại, các liên kết hydro sẽ phải mạnh bất thường để tan chảy ở nhiệt độ cao hơn 0ºC.

Đặc điểm của phản ứng thu nhiệt

Sự thay đổi trạng thái không đúng là một phản ứng hóa học; Tuy nhiên, điều tương tự cũng xảy ra: sản phẩm (nước lỏng) có năng lượng cao hơn chất phản ứng (nước đá). Đây là đặc điểm chính của một phản ứng hoặc quá trình thu nhiệt: các sản phẩm có năng lượng cao hơn các chất phản ứng.

Mặc dù điều này đúng nhưng không có nghĩa là các sản phẩm nhất thiết phải không ổn định. Trong trường hợp đó, phản ứng thu nhiệt không còn tự phát trong mọi điều kiện nhiệt độ hoặc áp suất.

Xét phương trình hóa học sau:

A + Q => B

Trong đó Q đại diện cho nhiệt, thường được biểu thị bằng đơn vị jun (J) hoặc calo (cal). Khi A hấp thụ nhiệt Q để biến đổi thành B, người ta nói rằng đó là một phản ứng thu nhiệt. Vì vậy, B có nhiều năng lượng hơn A, và phải hấp thụ đủ năng lượng để thực hiện chuyển hóa.

Sơ đồ phản ứng thu nhiệt cho A và B. Nguồn: Gabriel Bolívar

Có thể thấy trong sơ đồ trên, A có ít năng lượng hơn B. Nhiệt lượng Q mà A hấp thụ sao cho nó vượt qua năng lượng hoạt hóa (năng lượng cần thiết để đạt được đỉnh chấm tím). Sự khác biệt về năng lượng giữa A và B được gọi là entanpi của phản ứng, ΔH.

ΔH> 0

Tất cả các phản ứng thu nhiệt đều có sơ đồ chung ở trên, vì các sản phẩm có năng lượng lớn hơn các chất phản ứng. Do đó, sự chênh lệch năng lượng giữa chúng, ΔH, luôn luôn dương (H _{Sản phẩm} -H _{phản ứng} > 0). Vì điều này đúng, phải có sự hấp thụ nhiệt hoặc năng lượng từ môi trường xung quanh để cung cấp nhu cầu năng lượng này.

Và những biểu thức như vậy được giải thích như thế nào? Trong phản ứng hóa học, các liên kết luôn bị phá vỡ để tạo ra các liên kết mới. Để phá vỡ chúng, việc hấp thụ năng lượng là cần thiết; nghĩa là, nó là một bước thu nhiệt. Trong khi đó, sự hình thành các liên kết ngụ ý sự ổn định, vì vậy nó là một bước tỏa nhiệt.

Khi các liên kết được hình thành không mang lại sự ổn định tương đương với lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết cũ, thì đó là một phản ứng thu nhiệt. Đây là lý do tại sao năng lượng bổ sung là cần thiết để thúc đẩy việc phá vỡ các liên kết bền vững nhất trong các chất phản ứng.

Mặt khác, trong các phản ứng tỏa nhiệt thì xảy ra ngược lại: tỏa nhiệt và ΔH <1 (âm). Ở đây các sản phẩm ổn định hơn các chất phản ứng, và biểu đồ giữa A và B thay đổi hình dạng; bây giờ B ở dưới A, và năng lượng hoạt hóa thấp hơn.

Chúng làm mát môi trường xung quanh

Mặc dù nó không áp dụng cho tất cả các phản ứng thu nhiệt, một số phản ứng trong số chúng gây ra sự giảm nhiệt độ của môi trường xung quanh chúng. Điều này là do nhiệt hấp thụ đến từ một nơi nào đó. Do đó, nếu quá trình chuyển đổi A và B diễn ra bên trong một thùng chứa, nó sẽ nguội đi.

Phản ứng càng thu nhiệt, vật chứa và môi trường xung quanh sẽ càng lạnh. Trên thực tế, một số phản ứng thậm chí có khả năng tạo thành một lớp băng mỏng, như thể chúng đi ra từ tủ lạnh.

Tuy nhiên, có những phản ứng kiểu này không làm mát môi trường xung quanh. Tại sao? Do nhiệt xung quanh không đủ; nghĩa là, nó không cung cấp Q (J, cal) cần thiết được viết trong phương trình hóa học. Do đó, đây là lúc lửa hoặc bức xạ UV xâm nhập.

Một chút nhầm lẫn có thể nảy sinh giữa hai tình huống. Một mặt, nhiệt từ môi trường xung quanh đủ để phản ứng xảy ra một cách tự nhiên, và có thể quan sát thấy quá trình nguội; và mặt khác, cần nhiều nhiệt hơn và sử dụng phương pháp gia nhiệt hiệu quả. Trong cả hai trường hợp, điều tương tự xảy ra: năng lượng bị hấp thụ.

Phương trình

Các phương trình liên quan trong một phản ứng thu nhiệt là gì? Như đã giải thích, ΔH phải dương. Để tính toán nó, trước tiên ta xét phương trình hóa học sau:

aA + bB => cC + dD

Trong đó A và B là chất phản ứng, và C và D là sản phẩm. Các chữ cái thường (a, b, c và d) là hệ số phân vị. Để tính ΔH của phản ứng chung này, biểu thức toán học sau được áp dụng:

ΔH _{Sản phẩm} - ΔH _{Thuốc thử} = ΔH _rxn

Bạn có thể tiến hành trực tiếp hoặc thực hiện các phép tính riêng biệt. Đối với _{Sản phẩm} ΔH , tổng sau đây phải được tính:

c ΔH _f C + d ΔH _f D

Trong đó ΔH _f là entanpi tạo thành của mỗi chất tham gia phản ứng. Theo quy ước, các chất ở dạng bền nhất có ΔH _f = 0. Ví dụ, phân tử O ₂ và H ₂ , hoặc một kim loại rắn, có ΔH _f = 0.

Tính toán tương tự bây giờ được thực hiện cho các chất phản ứng, _{Thuốc thử} ΔH :

a ΔH _f A + b ΔH _f B

Nhưng vì phương trình nói rằng ΔH _{Thuốc thử} phải được trừ cho ΔH _{Sản phẩm} , nên tổng trên phải được nhân với -1. Vì vậy, bạn có:

c ΔH _f C + d ΔH _f D - (a ΔH _f A + b ΔH _f B)

Nếu kết quả của phép tính này là một số dương, thì đó là một phản ứng thu nhiệt. Và nếu nó là âm, nó là một phản ứng tỏa nhiệt.

Ví dụ về các phản ứng thu nhiệt phổ biến

Bốc hơi đá khô

Đá khô. Nguồn: Nevit, từ Wikimedia Commons

Bất cứ ai đã từng nhìn thấy những làn khói trắng tỏa ra từ một xe kem đều đã chứng kiến ​​một trong những ví dụ phổ biến nhất về "phản ứng" thu nhiệt.

Ngoài một số loại kem, những hơi này thoát ra từ chất rắn màu trắng, được gọi là đá khô, cũng là một phần của các kịch bản để tạo ra hiệu ứng khói mù. Lớp băng khô này không gì khác chính là carbon dioxide rắn, khi hấp thụ nhiệt độ và áp suất bên ngoài bắt đầu thăng hoa.

Một thử nghiệm dành cho khán giả nhí là lấp đầy và niêm phong túi bằng đá khô. Sau một thời gian, nó sẽ phồng lên do khí CO ₂ tạo ra tác dụng hoặc ép các thành bên trong túi chống lại áp suất khí quyển.

Nướng bánh mì hoặc nấu thức ăn

Bánh mì nướng. Nguồn: Pixabay

Nướng bánh mì là một ví dụ về phản ứng hóa học, vì bây giờ có những thay đổi hóa học do nhiệt. Bất kỳ ai đã ngửi thấy mùi thơm của bánh mì mới nướng đều biết rằng phản ứng thu nhiệt đang xảy ra.

Bột và tất cả các thành phần của nó cần nhiệt của lò để thực hiện tất cả các quá trình biến đổi, điều cần thiết để trở thành bánh mì và thể hiện các đặc tính điển hình của nó.

Ngoài bánh mì, nhà bếp có đầy đủ các ví dụ về phản ứng thu nhiệt. Ai nấu ăn giao dịch với họ hàng ngày. Nấu mì, làm mềm nhân, hâm nóng nhân ngô, nấu trứng, nêm thịt, nướng bánh, pha trà, hâm nóng bánh mì sandwich; mỗi hoạt động này là phản ứng thu nhiệt.

Tắm nắng

Rùa tắm nắng. Nguồn: Pixabay

Đơn giản và phổ biến như chúng có thể thấy, việc tắm nắng của một số loài bò sát, chẳng hạn như rùa và cá sấu, thuộc loại phản ứng thu nhiệt. Rùa hấp thụ nhiệt từ mặt trời để điều chỉnh nhiệt độ cơ thể.

Không có mặt trời, chúng giữ nhiệt của nước để giữ ấm; kết thúc bằng việc làm mát nước trong ao hoặc bể cá của bạn.

Phản ứng của nitơ trong khí quyển và sự hình thành ôzôn

Tia chớp. Nguồn: Pixabay

Không khí chủ yếu được tạo thành từ nitơ và oxy. Trong các cơn bão điện, năng lượng như vậy được giải phóng có thể phá vỡ các liên kết bền vững giữ các nguyên tử nitơ với nhau trong phân tử N ₂ :

N ₂ + O ₂ + Q => 2NO

Mặt khác, ôxy có thể hấp thụ bức xạ tử ngoại để trở thành ôzôn; allotrope của oxy rất có lợi ở tầng bình lưu, nhưng bất lợi cho sự sống ở tầng mặt đất. Phản ứng là:

3O ₂ + v => 2O ₃

Trong đó v có nghĩa là bức xạ cực tím. Cơ chế đằng sau phương trình đơn giản đó rất phức tạp.

Điện phân nước

Sự điện phân sử dụng năng lượng điện để tách một phân tử thành các phần tử hoặc phân tử tạo thành của nó. Ví dụ, trong quá trình điện phân nước, hai khí được tạo ra: hydro và oxy, mỗi khí ở các điện cực khác nhau:

2H ₂ O => 2H ₂ + O ₂

Ngoài ra, natri clorua có thể trải qua phản ứng tương tự:

2NaCl => 2Na + Cl ₂

Ở một điện cực, bạn sẽ thấy sự hình thành của natri kim loại, và ở điện cực kia, bọt khí màu lục của clo.

Quang hợp

Thực vật và cây cối cần hấp thụ ánh sáng mặt trời như một nguồn cung cấp năng lượng để tổng hợp vật liệu sinh học của chúng. Đối với điều này, nó sử dụng CO ₂ và nước làm nguyên liệu thô , trải qua một loạt các bước dài, được chuyển đổi thành glucose và các loại đường khác. Ngoài ra, oxy được hình thành, được thải ra từ lá.

Dung dịch của một số muối

Nếu natri clorua được hòa tan trong nước, sẽ không nhận thấy sự thay đổi đáng kể nào về nhiệt độ bên ngoài của thủy tinh hoặc vật chứa.

Một số muối, chẳng hạn như canxi clorua, CaCl ₂ , làm tăng nhiệt độ của nước do sự hyđrat hóa lớn của các ion Ca ²⁺ . Và các muối khác, chẳng hạn như amoni nitrat hoặc clorua, NH ₄ NO ₃ và NH ₄ Cl, làm giảm nhiệt độ của nước và làm mát môi trường xung quanh.

Trong lớp học, các thí nghiệm ở nhà thường được thực hiện bằng cách hòa tan một số muối này để chứng minh phản ứng thu nhiệt là gì.

Sự giảm nhiệt độ là do quá trình hydrat hóa của các ion NH ₄ ⁺ không thuận lợi cho sự hòa tan các sắp xếp tinh thể của muối của chúng. Do đó, các muối hấp thụ nhiệt từ nước để cho phép các ion được solvat hóa.

Một phản ứng hóa học khác thường rất phổ biến để chứng minh điều này là:

Ba (OH) ₂ 8H ₂ O + 2NH ₄ NO ₃ => Ba (NO ₃ ) ₂ + 2NH ₃ + 10H ₂ O

Lưu ý lượng nước tạo thành. Khi trộn lẫn cả hai chất rắn, thu được dung dịch nước Ba (NO ₃ ) ₂ , có mùi amoniac và nhiệt độ giảm xuống sao cho bề mặt bên ngoài của bình bị đóng băng theo đúng nghĩa đen.

Sự phân hủy nhiệt

Một trong những sự phân hủy nhiệt phổ biến nhất là natri bicacbonat, NaHCO ₃ , tạo ra CO ₂ và nước khi đun nóng. Nhiều chất rắn, bao gồm các muối cacbonat, thường bị phân hủy để giải phóng CO ₂ và oxit tương ứng. Ví dụ, sự phân hủy của canxi cacbonat như sau:

CaCO ₃ + Q => CaO + CO ₂

Điều này cũng đúng đối với các muối magiê, stronti và bari cacbonat.

Điều quan trọng cần lưu ý là sự phân hủy nhiệt khác với sự đốt cháy. Trong lần đầu tiên không có sự hiện diện của sự bắt lửa hoặc nhiệt được giải phóng, trong khi ở lần thứ hai có; nghĩa là, sự cháy là một phản ứng tỏa nhiệt, ngay cả khi nó cần một nguồn nhiệt ban đầu diễn ra hoặc xảy ra tự phát.

Amoni clorua trong nước

Khi hòa tan một lượng nhỏ amoni clorua (NH4Cl) vào nước trong ống nghiệm thì ống nghiệm trở nên lạnh hơn trước. Trong quá trình phản ứng hóa học này, nhiệt được hấp thụ từ môi trường.

Natri triosunfat

Khi các tinh thể natri thiosunfat (Na ₂ S ₂ O ₃ .5H ₂ O), thường được gọi là hypo, hòa tan trong nước, hiệu ứng làm mát xảy ra.

Động cơ ô tô

Việc đốt cháy xăng hoặc dầu diesel trong động cơ ô tô, xe tải, máy kéo hoặc xe buýt tạo ra năng lượng cơ học, được sử dụng trong quá trình lưu thông của các phương tiện này.

Chất lỏng sôi

Bằng cách đưa một chất lỏng để đốt nóng, nó thu được năng lượng và chuyển sang trạng thái khí.

Nấu một quả trứng

Khi tác dụng nhiệt, các protein trong trứng bị biến tính, tạo thành cấu trúc rắn thường được ăn vào.

Nấu ăn

Nói chung, luôn luôn khi đun nấu bằng nhiệt để thay đổi tính chất của thực phẩm, các phản ứng thu nhiệt đều xảy ra.

Những phản ứng này là nguyên nhân làm cho thực phẩm trở nên mềm hơn, tạo ra các khối dễ uốn, giải phóng các thành phần chứa chúng, cùng những thứ khác.

Làm nóng thức ăn trong lò vi sóng

Do bức xạ vi sóng, các phân tử nước trong thực phẩm hấp thụ năng lượng, bắt đầu dao động và làm tăng nhiệt độ của thực phẩm.

Ép kính

Sự hấp thụ nhiệt của kính làm cho các khớp của nó linh hoạt, làm cho hình dạng của nó dễ thay đổi.

Tiêu thụ một ngọn nến

Sáp nến nóng chảy bằng cách hấp thụ nhiệt từ ngọn lửa, thay đổi hình dạng.

Làm sạch bằng nước nóng

Khi sử dụng nước nóng để làm sạch các đồ vật bị dính dầu mỡ, chẳng hạn như nồi hoặc quần áo, dầu mỡ trở nên lỏng hơn và dễ tẩy sạch hơn.

Tiệt trùng thực phẩm và các đồ vật khác bằng nhiệt

Khi làm nóng đồ vật hoặc thức ăn, các vi sinh vật chứa chúng cũng tăng nhiệt độ.

Khi cung cấp nhiều nhiệt, các phản ứng trong tế bào vi sinh vật sẽ xảy ra. Nhiều phản ứng trong số này, chẳng hạn như phá vỡ liên kết hoặc biến tính của protein, cuối cùng sẽ giết chết vi sinh vật.

Chống nhiễm trùng với sốt

Khi bị sốt là do cơ thể sản sinh ra nhiệt lượng cần thiết để tiêu diệt vi khuẩn và vi rút gây nhiễm trùng và gây bệnh.

Nếu nhiệt lượng tỏa ra nhiều và sốt cao, các tế bào của cơ thể cũng bị ảnh hưởng và có nguy cơ tử vong.

Bốc hơi nước

Khi nước bay hơi và biến thành hơi là do nhiệt mà nó nhận được từ môi trường. Khi năng lượng nhiệt được nhận bởi mỗi phân tử nước, năng lượng dao động của nó tăng lên đến mức nó có thể di chuyển tự do, tạo ra hơi nước.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
2. Wikipedia. (2018). Quá trình tỏa nhiệt. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 27 tháng 12 năm 2018). Ví dụ về phản ứng thu nhiệt. Phục hồi từ: thinkco.com
4. Học viện Khan. (2019). Thu nhiệt vs. các phản ứng tỏa nhiệt. Phục hồi từ: khanacademy.org
5. Serm Murmson. (2019). Điều gì xảy ra ở cấp độ phân tử trong phản ứng thu nhiệt? Hearst Seattle Media. Được khôi phục từ: education.seattlepi.com
6. QuimiTube. (2013). Tính toán entanpi của phản ứng từ entanpi tạo thành. Được khôi phục từ: quimitube.com
7. Quimicas.net (2018). Ví dụ về phản ứng thu nhiệt. Phục hồi từ:
   quimicas.net.