Bài tập: Cho phản ứng magnesium tác dụng với CO2
2Mg(s) + CO2(g) t° 2MgO(s) + C(s)
fH°298 (kJ/mol) 0 -393,51 -601,70 0

a) Tính biến thiên enthalpy của phản ứng.

Để tính biến thiên enthalpy của phản ứng (ký hiệu là ΔrH°298), chúng ta sẽ sử dụng công thức dựa trên enthalpy tạo thành chuẩn của các chất tham gia và sản phẩm. Công thức này đã được học trong chương Nhiệt hóa học rồi đúng không nào?

Công thức tính biến thiên enthalpy của phản ứng là:
\[ \Delta H_{r}^{\circ} 298 = \sum_{i} n_i \Delta H_{f, i}^{\circ} (\text{sản phẩm}) – \sum_{j} n_j \Delta H_{f, j}^{\circ} (\text{chất phản ứng}) \]
Trong đó:
– \( \Delta H_{r}^{\circ} 298 \) là biến thiên enthalpy của phản ứng ở điều kiện chuẩn 298K.
– \( \sum n_i \Delta H_{f, i}^{\circ} (\text{sản phẩm}) \) là tổng các tích của hệ số tỉ lượng (n) với enthalpy tạo thành chuẩn (ΔH°f) của các sản phẩm.
– \( \sum n_j \Delta H_{f, j}^{\circ} (\text{chất phản ứng}) \) là tổng các tích của hệ số tỉ lượng (n) với enthalpy tạo thành chuẩn (ΔH°f) của các chất phản ứng.

Bây giờ, chúng ta áp dụng công thức này vào phản ứng đã cho:
Phương trình phản ứng: 2Mg(s) + CO2(g) t° 2MgO(s) + C(s)

Thông tin enthalpy tạo thành chuẩn cho mỗi chất được cho trong đề bài:
– \( \Delta H_{f}^{\circ} (\text{Mg(s)}) = 0 \) kJ/mol
– \( \Delta H_{f}^{\circ} (\text{CO}_2\text{(g)}) = -393,51 \) kJ/mol
– \( \Delta H_{f}^{\circ} (\text{MgO(s)}) = -601,70 \) kJ/mol
– \( \Delta H_{f}^{\circ} (\text{C(s)}) = 0 \) kJ/mol

Áp dụng vào công thức:
\( \Delta H_{r}^{\circ} 298 = [2 \times \Delta H_{f}^{\circ} (\text{MgO(s)}) + 1 \times \Delta H_{f}^{\circ} (\text{C(s)})] – [2 \times \Delta H_{f}^{\circ} (\text{Mg(s)}) + 1 \times \Delta H_{f}^{\circ} (\text{CO}_2\text{(g)})] \)

Thay số vào:
\( \Delta H_{r}^{\circ} 298 = [2 \times (-601,70 \text{ kJ/mol}) + 1 \times (0 \text{ kJ/mol})] – [2 \times (0 \text{ kJ/mol}) + 1 \times (-393,51 \text{ kJ/mol})] \)
\( \Delta H_{r}^{\circ} 298 = [-1203,40 \text{ kJ/mol} + 0] – [0 – 393,51 \text{ kJ/mol}] \)
\( \Delta H_{r}^{\circ} 298 = -1203,40 \text{ kJ/mol} + 393,51 \text{ kJ/mol} \)
\( \Delta H_{r}^{\circ} 298 = -809,89 \text{ kJ/mol} \)

Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng là -809,89 kJ/mol. Dấu âm cho thấy đây là một phản ứng tỏa nhiệt.

b) Hãy giải thích vì sao không được sử dụng bình chữa cháy CO2 để dập tắt các đám cháy magnesium hay đám cháy có mặt các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ và aluminium?

Chúng ta vừa tính toán ở câu a) thấy rằng phản ứng giữa magnesium và CO2 tỏa ra một lượng nhiệt lớn (ΔrH°298 = -809,89 kJ/mol). Điều này có nghĩa là khi magnesium tiếp xúc với CO2 ở nhiệt độ cao của đám cháy, phản ứng sẽ xảy ra mãnh liệt, giải phóng thêm nhiệt.

Khi đám cháy magnesium đang bùng cháy, nhiệt độ của đám cháy đã rất cao. Nếu chúng ta phun CO2 vào đám cháy này, CO2 sẽ đóng vai trò vừa là tác nhân oxi hóa, vừa cung cấp nguyên liệu cho phản ứng cháy. Phản ứng theo phương trình:
2Mg(s) + CO2(g) t° 2MgO(s) + C(s)
CO2 sẽ phản ứng với Mg tạo ra MgO và C, đồng thời giải phóng nhiệt. Lượng nhiệt này sẽ làm tăng nhiệt độ của đám cháy, khiến cho đám cháy bùng lên mạnh hơn, chứ không hề bị dập tắt. Thậm chí, CO2 còn cung cấp thêm nguyên liệu (từ C tạo ra) cho phản ứng cháy tiếp diễn.

Tương tự, các kim loại hoạt động mạnh khác như kim loại kiềm (Na, K) hay kim loại kiềm thổ (Ca) và nhôm (Al) cũng có khả năng phản ứng với CO2 ở nhiệt độ cao, hoặc phản ứng với các thành phần khác trong khí CO2 (nếu có lẫn hơi nước hoặc các tạp chất khác), làm cho đám cháy càng thêm trầm trọng.

Vì vậy, không được sử dụng bình chữa cháy CO2 để dập tắt các đám cháy magnesium hay đám cháy có mặt các kim loại hoạt động mạnh như kim loại kiềm, kiềm thổ và aluminium.

c) Có thể dùng nước để dập tắt đám cháy có mặt magnesium không? Hãy đề xuất biện pháp dập tắt đám cháy magnesium trong phòng thí nghiệm hóa học.

Có thể dùng nước để dập tắt đám cháy có mặt magnesium không?

Chúng ta cần xem xét phản ứng của magnesium với nước. Ở nhiệt độ thường, magnesium phản ứng chậm với nước. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao của đám cháy, phản ứng này sẽ trở nên mãnh liệt hơn:
Mg(s) + 2H2O(l) → Mg(OH)2(s) + H2(g)
Phản ứng này cũng tỏa nhiệt và giải phóng khí hydro (H2). Khí hydro là một khí rất dễ cháy và có thể gây nổ. Việc giải phóng khí hydro cùng với nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng sẽ làm đám cháy magnesium bùng lên dữ dội hơn, thậm chí có thể gây nổ.

Vì vậy, không được dùng nước để dập tắt đám cháy có mặt magnesium, đặc biệt là đám cháy lớn hoặc ở nhiệt độ cao.

Đề xuất biện pháp dập tắt đám cháy magnesium trong phòng thí nghiệm hóa học:

Đối với các đám cháy kim loại hoạt động mạnh như magnesium trong phòng thí nghiệm, chúng ta cần sử dụng các chất chữa cháy không phản ứng với kim loại đó và có khả năng hấp thụ nhiệt, ngăn cách kim loại với oxy trong không khí.

Các biện pháp hiệu quả có thể áp dụng bao gồm:

1. Sử dụng cát khô hoặc bột khô chuyên dụng: Đây là biện pháp an toàn và hiệu quả nhất. Cát khô hoặc các loại bột chữa cháy chuyên dụng cho kim loại (ví dụ: bột chữa cháy loại D) có khả năng bao phủ, cách ly ngọn lửa khỏi oxy và hấp thụ nhiệt. Chúng ta sẽ phủ một lớp cát dày hoặc bột chữa cháy lên trên ngọn lửa để dập tắt nó.
2. Sử dụng các hợp chất kim loại khác có khả năng phản ứng mạnh hơn với oxy: Trong một số trường hợp, có thể sử dụng một lượng nhỏ bột kim loại có hoạt tính cao hơn (nhưng phải rất cẩn thận và có kiến thức chuyên môn) để làm phản ứng “ăn” hết oxy, dẫn đến dập tắt đám cháy. Tuy nhiên, biện pháp này ít được áp dụng trong phòng thí nghiệm thông thường vì yêu cầu kiến thức và kỹ năng cao.

Quan trọng nhất là:
* Nếu đám cháy magnesium nhỏ và mới bùng phát, hãy giữ bình tĩnh.
* Tuyệt đối không dùng bình chữa cháy CO2, nước hay các chất chữa cháy thông thường khác.
* Tìm kiếm ngay các vật liệu như cát khô hoặc bột chữa cháy chuyên dụng có sẵn trong phòng thí nghiệm.
* Nếu đám cháy lớn và vượt khỏi tầm kiểm soát, hãy ngay lập tức sơ tán mọi người ra khỏi khu vực nguy hiểm và báo động cho lực lượng phòng cháy chữa cháy chuyên nghiệp.

Hy vọng qua bài tập này, các em đã hiểu rõ hơn về phản ứng của magnesium với CO2 và các biện pháp an toàn cần thiết trong phòng thí nghiệm. Luôn ghi nhớ các nguyên tắc an toàn hóa học nhé các em!