Nhiệt phân là gì? Ký hiệu nhiệt phân? Phản ứng nhiệt phân?

1. Nhiệt phân là gì?

Nhiệt phân có thể được định nghĩa là quá trình đưa các chất vào nhiệt độ cao trong môi trường tương đối trơ để tạo điều kiện cho sự phân hủy nhiệt của chúng. Điều quan trọng cần lưu ý là quá trình nhiệt phân gây ra sự thay đổi hóa học trong chất chịu tác động của nó (thành phần hóa học của nguyên liệu phản ứng ban đầu và sản phẩm cuối cùng là khác nhau). Thuật ngữ ‘nhiệt phân’ có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp và có thể tạm dịch là “tách lửa”. Nói chung, các chất bị nhiệt phân sẽ trải qua phản ứng phân hủy hóa học và phân hủy thành nhiều sản phẩm hợp chất.

Quá trình nhiệt phân được sử dụng rộng rãi để phân hủy các chất hữu cơ. Ví dụ, việc đốt gỗ dẫn đến sự hình thành than củi liên quan đến quá trình nhiệt phân. Thông thường, quá trình nhiệt phân một chất hữu cơ sẽ tạo ra nhiều sản phẩm dễ bay hơi và cũng sẽ để lại cặn rắn thường rất giàu cacbon. Lưu ý rằng quá trình nhiệt phân cực độ, thường chỉ để lại cacbon dưới dạng cặn, thường được gọi là cacbon hóa. Cũng cần lưu ý rằng nhiệt phân được coi là bước khởi đầu cho các quá trình liên quan khác như đốt cháy và khí hóa.

Ngành công nghiệp hóa chất sử dụng rộng rãi quá trình nhiệt phân.

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của quá trình này là sản xuất ethylene và các hợp chất cacbon quan trọng khác từ than đá và dầu mỏ. Hơn nữa, các hợp chất này cũng có thể được chiết xuất từ ​​​​một số chất hữu cơ như gỗ. Than cốc có thể được lấy từ than đá (cùng với nhiều hợp chất khác nhau) thông qua quá trình nhiệt phân.

2. Ký hiệu nhiệt phân:

Kí hiệu nhiệt phân là một ký hiệu hóa học để biểu thị một phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của nhiệt độ, trong đó một hợp chất bị phân hủy thành các sản phẩm khác. Kí hiệu nhiệt phân thường được viết dưới dạng:

A ⟶ B + C

Trong đó A là chất bị phân hủy, B và C là các sản phẩm của phản ứng. Đôi khi, kí hiệu nhiệt phân còn có thêm một số thông tin khác như nhiệt độ, áp suất, điều kiện chuẩn hay biến thiên enthalpy của phản ứng.

Biến thiên enthalpy của phản ứng (hay còn gọi là nhiệt phản ứng) được ký hiệu là ΔH và thường được tính theo đơn vị kJ hoặc kcal. Nhiệt phản ứng cho biết lượng nhiệt tỏa ra hoặc thu vào khi một phản ứng hóa học xảy ra. Nếu nhiệt phản ứng là âm, tức là lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn lượng nhiệt thu vào, thì phản ứng được gọi là phản ứng tỏa nhiệt. Ngược lại, nếu nhiệt phản ứng là dương, tức là lượng nhiệt thu vào lớn hơn lượng nhiệt tỏa ra, thì phản ứng được gọi là phản ứng thu nhiệt.

Ví dụ: Phản ứng nhiệt phân CaCO3 là phản ứng thu nhiệt:

CaCO3 ⟶ CaO + CO2

ΔH = +178 kJ/mol

3. Phản ứng nhiệt phân:

Phản ứng nhiệt phân là phản ứng hóa học, trong đó chất phân hủy thành các chất khác dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Bản chất của phản ứng này là phân cắt các liên kết kém bền trong phân tử hợp chất vô cơ hay hữu cơ bởi nhiệt độ. Trong phản ứng nhiệt phân, chất tham gia phản ứng thường là các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ như muối, axit, bazơ, thủy tinh, polime, chất béo và các chất khác.

Phản ứng nhiệt phân có thể thuộc phản ứng oxi hóa – khử hoặc không. Phản ứng nhiệt phân có thể xảy ra với một hay nhiều giai đoạn và có thể được biểu diễn bằng công thức tổng quát:

AB → A + B

Trong đó AB là chất bị phân hủy, A và B là các sản phẩm của phản ứng.

Ví dụ: Phản ứng nhiệt phân canxi hiđrocacbonat (Ca(HCO3)2) là một phản ứng nhiệt phân vô cơ không thuộc phản ứng oxi hóa – khử. Phản ứng này xảy ra khi đun nóng canxi hiđrocacbonat và cho ra canxi cacbonat (CaCO3), khí cacbon điôxít (CO2) và nước (H2O). Phương trình của phản ứng là:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O

Phản ứng này có ý nghĩa trong việc loại bỏ nước cứng tạm thời do canxi hiđrocacbonat gây ra.

Một số ví dụ khác về phản ứng nhiệt phân là:

– Phân huỷ hoá học nước (H2O) thành hydro và oxy: 2H2O -> 2H2 + O2

– Phản ứng giữa sắt và lưu huỳnh tạo ra sắt sunfua: Fe + S -> FeS

– Phản ứng phân huỷ canxi cacbonat (CaCO3): CaCO3 -> CaO + CO2

– Phân hủy khí cacbonic để thu được cacbon và khí oxi: CO2 -> C + O2

– Phân giải protein do tác động của nhiệt: protein -> amino acid

4. Ứng dụng của nhiệt phân:

Nhiệt phân có nhiều ứng dụng cho công nghệ xanh. Phản ứng này rất hữu ích trong việc chiết xuất vật liệu từ hàng hóa như lốp xe, loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khỏi đất và bùn dầu, đồng thời tạo ra nhiên liệu sinh học từ cây trồng và chất thải. Quá trình nhiệt phân có thể giúp phân hủy lốp xe thành các bộ phận hữu ích, do đó giảm gánh nặng cho môi trường khi loại bỏ lốp xe. Lốp xe là thành phần chôn lấp đáng kể ở nhiều khu vực và chúng thải ra PAH và kim loại nặng vào không khí khi chúng bị đốt cháy. Tuy nhiên, khi lốp xe bị nhiệt phân, chúng phân hủy thành khí và dầu (có thể sử dụng làm nhiên liệu) và muội than (có thể dùng làm chất độn trong các sản phẩm cao su, bao gồm cả lốp mới và làm than hoạt tính trong bộ lọc và pin nhiên liệu). Ngoài ra, nhiệt phân có thể loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, chẳng hạn như hormone tổng hợp, khỏi bùn thải (vật liệu bán rắn còn sót lại sau khi nước thải được xử lý và hàm lượng nước giảm) và làm cho các kim loại nặng còn lại trong bùn trở nên trơ, cho phép sử dụng bùn một cách an toàn như phân bón.

Hơn nữa, sinh khối nhiệt phân (vật liệu sinh học như gỗ và mía) hứa hẹn sẽ tạo ra các nguồn năng lượng có thể bổ sung hoặc thay thế năng lượng từ dầu mỏ. Quá trình nhiệt phân làm cho cellulose, hemicellulose và một phần lignin trong sinh khối phân hủy thành các phân tử nhỏ hơn ở dạng khí. Khi được làm lạnh, những khí này ngưng tụ ở trạng thái lỏng và trở thành dầu sinh học, trong khi phần còn lại của khối lượng ban đầu (chủ yếu là lignin còn lại) được giữ lại dưới dạng than sinh học rắn và khí không ngưng tụ được.

5. Ví dụ về nhiệt phân: 

Một số quá trình được biết là có liên quan đến nhiệt phân. Một số ví dụ phổ biến về các loại quy trình khác nhau có thể xảy ra nhiệt phân được liệt kê dưới đây.

– Quá trình chưng cất khô, bao gồm việc đun nóng các chất rắn để thu được các quá trình khí, được biết đến là một loại nhiệt phân chất rắn. Một ứng dụng phổ biến của các quá trình này là thu được axit sunfuric từ sunfat.

– Quá trình chưng cất phân hủy là một ứng dụng quan trọng khác của nhiệt phân. Trong quá trình này, vật liệu chưa qua chế biến (thường có bản chất hữu cơ) phải chịu một lượng nhiệt lớn trong môi trường tương đối trơ để tạo điều kiện cho chúng phân hủy thành các phân tử nhỏ hơn. Việc khai thác than cốc và tro than từ than đạt được nhờ sự trợ giúp của kỹ thuật này.

– Quá trình chuyển hóa đường thành màu nâu do nhiệt (thường được gọi là quá trình caramen hóa) là một ví dụ quan trọng khác của quá trình nhiệt phân.

– Nhiều kỹ thuật nấu ăn phổ biến khác liên quan đến nhiệt phân. Các ví dụ đáng chú ý bao gồm nướng, chiên và rang.

– Một ứng dụng đáng chú ý khác của nhiệt phân là khi gỗ được đặt trong nhựa đường và chịu nhiệt độ cao để thu được nhựa hắc ín.

– Quá trình lọc dầu còn khai thác quá trình nhiệt phân. Trong ngành công nghiệp này, nhiệt được sử dụng để tạo ra các vết nứt trong các hydrocacbon tương đối lớn, tạo điều kiện cho chúng phân hủy thành các hydrocacbon nhỏ hơn.

– Các quá trình tự nhiên liên quan đến việc tạo ra nhiên liệu hóa thạch cũng liên quan đến quá trình nhiệt phân. Quá trình catagenesis, là quá trình trong đó chất hữu cơ bị chôn vùi phải chịu nhiệt độ và áp suất cao trong khoảng thời gian cực kỳ dài (để cuối cùng chuyển đổi chất hữu cơ thành than và các nhiên liệu hóa thạch khác) là một quá trình cụ thể về nhiệt phân.