Tài liệu Lựa chọn và xây dựng hệ thống lí thuyết và bài tập trắc nghiệm sử dụng định luật hess và chu trình born haber để giải ở bậc đại học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC .................... TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: HÓA HỌC VÔ CƠ ĐỀ TÀI: LỰA CHỌN VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG LÍ THUYẾT VÀ BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM SỬ DỤNG ĐỊNH LUẬT HESS VÀ CHU TRÌNH BORN- HABER ĐỂ GIẢI Ở BẬC ĐẠI HỌC Giáo viên hướng dẫn: Th.S Đinh Quý Hương Lớp: Hóa 2B Khóa: 2016-2020 HUẾ,THÁNG 12/2017 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo Th.S Đinh Quý Hương, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện tiểu luận này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô trong khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm đã giảng dạy em, cho em nhiều kiến thức và tư liệu hay cùng toàn thể anh chị em, bạn bè vì đã có những gợi ý, kinh nghiệm quý báu giúp đỡ em trong quá trình học tập và tạo những điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tiểu luận này. Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đình vì đã luôn ủng hộ và động viên em trong quá trình học tập, nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn ! Trang 2 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương MỤC LỤC A. PHẦN MỞ ĐẦU....................................................................................................................4 1. Lí do chọn đề tài:.................................................................................................................4 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:......................................................................................4 2.1 Đối tượng nghiên cứu:.................................................................................................4 2.2 Phạm vi nghiên cứu:....................................................................................................5 3. Mục đích nghiên cứu:..........................................................................................................5 4. Phương pháp nghiên cứu:....................................................................................................5 5. Nhiệm vụ nghiên cứu:.........................................................................................................5 B. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.................................................................................................6 I. Định luật Hess..............................................................................................................6 II. Ứng dụng của định luật Hess......................................................................................8 1. Sinh nhiệt..................................................................................................................8 2.Thiêu nhiệt...............................................................................................................10 3.Năng lượng liên kết hóa học...................................................................................12 4. Nhiệt phân li...........................................................................................................12 5. Nhiệt chuyển pha....................................................................................................13 6.Nhiệt hiđrat hóa của các ion :..................................................................................14 7.Năng lượng mạng lưới tinh thể(Utt):.......................................................................14 III.Chu trình Born – Haber.............................................................................................15 C. HỆ THỐNG CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN................................................17 D. PHẦN KẾT LUẬN..............................................................................................................60 E. TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................61 Trang 3 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương A. PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài: Hóa học là môn khoa học thực nghiệm, trong đó hóa học vô cơ là một ngành hóa học nghiên cứu các thuộc tính, cấu trúc, thành phần, ứng dụng của các nguyên tố và hợp chất vô cơ cũng như các phản ứng hóa học của chúng. Nội dung kiến thức hóa vô cơ rất rộng bao gồm rất nhiều mặt, nhiều lĩnh vực cần khai thác nghiên cứu trong đó nhiệt động hóa học đang rất phát triển và đạt được nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật. Nhiệt động hóa học là một phần quan trọng của lý thuyết quá trình hóa học, nghiên cứu hiện tượng nhiệt, xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học dùng đến các đại lượng vật lý như entropi, entanpi, nhiệt dung,… để từ đó hình thành nên những quy luật chung của các quá trình biến đổi hóa học. Lý thuyết phản ứng hóa học là một trong những nội dung thường gặp trong các kì thi, đặc biệt các kì thi Olympic, kì thi học sinh giỏi và giải thích được nhiều hiện tượng hóa học. Chính vì vậy việc sử dụng Định luật Hess và các hệ quả của định luật này có ứng dụng rất lớn trong Hóa học có thể giúp chúng ta giải quyết được rất nhiều các vấn đề mà bài tập về hiệu ứng nhiệt yêu cầu và cho phép tính hiệu ứng nhiệt của nhiều phản ứng mà trong thực tế không thể đo được. Hiện nay, hệ thống bài tập hoá vô cơ vô cùng đa dạng và phong phú nhưng chủ yếu là các bài tập mang tính chất lý thuyết và đa số là các bài tập tự luận chưa phù hợp với việc đổi mới hình thức kiểm tra, đánh giá hiện nay là sử dụng câu hỏi trắc nghiệm khách quan. Do vậy việc xây dựng hệ thống bài tập trắc nghiệm hóa vô cơ về hiệu ứng nhiệt nhằm mong muốn bổ sung và làm phong phú thêm cho hệ thống bài tập trắc nghiệm khách quan Hóa học. Hơn nữa việc biên soạn nội dung bài tập về phản ứng hóa học có sử dụng định luật Hess và các hệ quả của nó cũng góp phần thúc đẩy học sinh phát triển tư duy, nâng cao hứng thú học tập bộ môn Hóa học. Chính vì vậy mà em chọn đề tài: “ Lựa chọn và xây dựng hệ thống lí thuyết và bài tập trắc nghiệm sử dụng định luật Hess và chu trình Born-Haber để giải ở bậc đại học ”. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2.1 Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống lí thuyết và bài tập hiệu ứng nhiệt sử dụng định luật Hess và chu trình Born - Haber để giải Trang 4 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương 2.2 Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu hệ thống lí thuyết và bài tập trắc nghiệm hóa vô cơ ở bậc đại học. 3. Mục đích nghiên cứu: - Hệ thống hoá kiến thức lý thuyết liên quan đến Định luật Hess và Chu trình Born-Haber làm cơ sở để lựa chọn, xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm khách quan tương ứng. - Lựa chọn, xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm khách quan liên quan đến các bài tập hóa vô cơ ở bậc đại học sử dụng Định luật Hess và Chu trình Born-Haber để giải nhanh và hiệu quả. 4. Phương pháp nghiên cứu: Căn cứ vào điều kiện và năng lực của bản thân, việc nghiên cứu chủ yếu sử dụng các phương pháp nghiên cứu lí luận như: - Nghiên cứu các giáo trình, tài liệu về lý thuyết và bài tập môn Hoá Vô cơ, đặc biệt là các vấn đề lý thuyết và bài tập trong phạm vi của đề tài. - Nghiên cứu các phương pháp xây dựng câu hỏi trắc nghiệm khách quan, đặc biệt là kĩ thuật xây dựng câu hỏi trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn. - Phương pháp phân tích, tổng hợp, phân loại và hệ thống hóa. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tuyển chọn và xây dựng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm khách quan hệ đại học môn hoá vô cơ ở bậc đại học sử dụng Định luật Hess và Chu trình Born-Haber để giải nhanh và hiệu quả. - Phát huy khả năng tự học, tìm tòi, sáng tạo của bản thân, từ đó xây dựng được các bài tập hay phục vụ cho học sinh, sinh viên có nhu cầu tìm hiểu sâu vào bài tập hóa học. - Tổng hợp lý thuyết, nắm rõ các tính chất và ứng dụng quan trọng, đưa ra các bài tập nâng cao, nhằm nâng cao kiến thức và kỹ năng giải bài tập cho sinh viên bậc đại học. Trang 5 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương B. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I. Định luật Hess Germain Henri Hess(1802-1850) là một nhà hóa học Nga, là giáo sư của Viện Hàn lâm Khoa học St. Petersburg, ông đã có nhiều đóng góp cho khoa học nói chung và hóa học nói riêng. Ông thường quan tâm đến việc khám phá và phân tích các chất mới. Tuy nhiên, ông cũng phát triển một sự quan tâm mạnh mẽ cho các nghiên cứu học thuyết. Đặc biệt, ông tự hỏi mối liên quan giữa hóa học với nhiệt trong phản ứng hóa học như thế nào. Cho đến năm 1840, Germain Henri Hess đã đưa ra một định luật mang tên ông (Định luật Hess) : " Nếu có nhiều cách để chuyển những chất ban đầu thành những chất sản phẩm cuối cùng thì không phụ thuộc vào cách chuyển đó, nghĩa là loại phản ứng trung gian, nhiệt tổng cộng của tất cả các quá trình đó sẽ bằng nhau". Định luật này được ông thiết lập vào đầu tiên năm 1936 dựa trên cơ sơ thực nghiệm. Đây là một định luật cơ bản của nhiệt hóa học. Nhiệt hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các quá trình như phản ứng hóa học, quá trình hòa tan, sonvat hóa, hidrat hóa, hấp thụ,…Cơ sở lí thuyết của nhiệt hóa học là sự vận dụng nguyên lí I nhiệt động học vào hóa học được thể hiện qua định luật Hess Hiệu ứng nhiệt là một khái niệm cơ bản trong nhiệt hóa học. Dựa vào nhiệt của các phản ứng ta có thể xác định được năng lượng liên kết hóa học của các chất phản ứng, hằng số cân bằng và hiệu suất phản ứng. Về mặt định nghĩa sẽ không đầy đủ nếu nói hiệu ứng nhiệt là lượng nhiệt thoát ra hay hoặc thu vào trong phản ứng hóa học, bởi vì lượng nhiệt đó sẽ không cố định mà phụ thuộc vào đường đi của quá trình. Để cho hiệu ứng nhiệt có thể có các giá trị xác định người ta phải quy định những điều kiện tiến hành phản ứng. Những điều kiện thường chọn là: - Thể tích hoặc áp suất không đổi. - Hệ không thực hiện công nào khác ngoài công giãn nở đẳng áp. - Nhiệt độ của các chất đầu và sản phẩm như nhau. Khi thỏa mãn các điều kiện trên, hiệu ứng nhiệt sẽ có giá trị hoàn toàn xác định và trở thành một đặc trưng của phản ứng hóa học. Việc xác định trực tiếp hiệu ứng nhiệt phản ứng chỉ thực hiện được trong một số ít trường hợp, khi phản ứng xảy ra nhanh, phản ứng hoàn toàn và không đòi hỏi những điều kiện thí nghiệm phức tạp. Trong phần lớn các trường hợp Trang 6 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương việc xác định này gặp nhiều khó khăn. Chẳng hạn, không thể xác định trực tiếp hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 2C(r) + O2(k) → 2CO(k) vì phản ứng giữa C và O2 luôn kèm theo sự tạo thành CO2. Trong những trường hợp như vậy việc xác định hiệu ứng nhiệt được thực hiện bằng phương pháp gián tiếp. Việc xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt phản ứng dựa trên định luật Hess: "Hiệu ứng nhiệt đẳng áp - đẳng nhiệt hoặc đẳng tích - đẳng nhiệt chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng chứ không phụ thuộc vào cách tiến triển của quá trình, nghĩa là không phụ thuộc vào đặc trưng của các giai đoạn trung gian". Điều này có nghĩa là trong quá trình của một phản ứng đã cho, từ các chất phản ứng (trạng thái đầu) đến các sản phẩm (trạng thái cuối) có thể đi theo những con đường khác nhau. Nhưng dù đi theo con đường nào thì hiệu ứng nhiệt cũng chỉ là một: ∆ H2 Chất phản ứng ∆ H1 Sản phẩm Trạng thái đầu ∆ H3 Trạng thái cuối H1 =∑ ∆ H cđ ∆H4 H2 = ∑ ∆ H sp ∆ H 1=∆ H 2 ¿ ∆ H 3 ¿ ∆ H 4=∆ H =∑ ∆ H sp−∑ ∆ H cđ Theo quan điểm nhiệt động học định luật Hess là hệ quả tất yếu của nguyên lí I. Vì entanpi là một hàm trạng thái, biến thiên entanpi ∆ H, tức hiệu ứng nhiệt của phản ứng, chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ phản ứng. Theo tinh thần này thì định luật Hess chỉ là một trường hợp riêng của nguyên lí chung, là nguyên lí trạng thái đầu và trạng thái cuối: Biến thiên của các hàm trạng thái (nội năng U, entanpi H, entropi S, thế đẳng áp - thế đẳng nhiệt G,...) của một hệ chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ. Trang 7 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Hệ quả: 1.Nếu phản ứng thuận có hiệu ứng nhiệt ∆ H thì phản ứng nghịch có hiệu ứng nhiệt -∆ H 2. Hiệu ứng nhiệt của một quá trình vòng (chu trình) bằng không. II. Ứng dụng của định luật Hess Như vậy dựa vào định luật Hess người ta có thể xác định ∆ H của một quá trình đã cho nào đó bằng hai cách sau: 1. Xác định ∆ H của một quá trình nào khác có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối. Quá trình thứ hai này thường là một quá trình nhiều giai đoạn, trong đó ∆ H của mỗi giai đoạn đều đã biết. 2. Thiết lập một quá trình vòng gồm nhiều giai đoạn trong đó một giai đoạn là quá trình đang xét và ∆ H của tất cả các giai đoạn còn lại đều đã biết. - Nếu một phản ứng nào đó là tổng đại số của một số phản ứng thành phần khác thì ∆ H của nó cũng bằng tổng đại số tương ứng của các ∆ Hcủa các phản ứng thành phần đó. *Lưu ý: Chất nào có giá trị ∆ H càng âm (<0) thì chất đó càng bền về mặt nhiệt động - Khi áp dụng định luật Hess cần giữ đúng những điều kiện dùng làm cơ sở cho định luật. Đó là trong các quá trình, muốn hiệu ứng nhiệt có giá trị như nhau thì các trạng thái đầu và các trạng thái cuối phải thực sự giống nhau. Sự giống nhau này không phải chỉ về mặt bản chất và thành phần hóa học, mà còn cả về điều kiện tồn tại như nhiệt độ, áp suất,… và trạng thái tập hợp (rắn, lỏng, khí) của chúng. Đối với những chất có cấu tạo tinh thể, thì dạng tinh thể cũng phải giống nhau. - Một số đại lượng nhiệt hóa và phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của một số quá trình quan trọng và phổ biến trong hóa học. 1. Sinh nhiệt (Entanpi sinh) - Định nghĩa: Sinh nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn. - Sinh nhiệt của các chất được tính ở điều kiện tiêu chuẩn được gọi là sinh nhiệt tiêu chuẩn, kí hiệu ∆ H 0298 . Trang 8 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Ví dụ: 0 H2(k) + O2(k) → H2O(k) ∆ H 298 = -241,8 kJ/mol C(gr) + O2(k) → CO2(k) ∆ H 0298 = -393,5 kJ/mol - Chú ý: Theo định nghĩa trên sinh nhiệt tiêu chuẩn của các đơn chất như H2, O2, N2, Cl2,… bằng không. Tuy nhiên, đối với những đơn chất có khả năng tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau, thì sự chuyển hóa giữa các dạng thù hình luôn luôn kèm theo hiệu ứng nhiệt. Trong trường hợp ấy có thể nói tới sinh nhiệt của đơn chất ứng với dạng thù hình không bền được hình thành từ dạng thù hình bền trong các điều kiện cho sẵn. Ví dụ: Sinh nhiệt của kim cương (∆ H = 0,453 kcal/mol) và ozon (∆ H = 34,0 kcal/mol) ứng với các quá trình sau đây: Cthan chì → Ckim cương ∆ H = 0,453 kcal/mol 3O2 → 2O3 ∆ H = 68,0 kcal/mol - Trừ một số ít hợp chất như nitơ oxit (NO), etilen, axetilen, benzen,… tuyệt đại đa số các hợp chất khác khi hình thành từ đơn chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt (∆ H < 0). - Ứng dụng: Có thể tính hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bất kì khi biết sinh nhiệt tiêu chuẩn của tất cả các chất tham gia vào phản ứng. Ví dụ: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng: CaO(r) + CO2(k) → CaCO3(r) Cho ∆ H 0298 -636 -394 -1207 (kJ/mol) Giải: Theo định nghĩa, sinh nhiệt của các chất là hiệu ứng nhiệt của các phản ứng sau: 3 Ca(r) + 2 O2(k) → CaO(r) (1) ∆ H1 = -636 kJ/mol C(gr) + O2(k) → CO2(k) (2) ∆ H2 = -384 kJ/mol 3 Ca(r) + C(gr) + 2 O2(k) → CaCO3(r) (3) ∆ H3 = -1207 kJ/mol Trang 9 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Có thể lập sơ đồ sau: Ca(r) + 1 ∆H1 O2 2 C(gr) + +O2 CaO(r) 3 O 2 2(k) ∆H3 ∆ H2 CaCO3(r) ∆H + CO2(k) 3 Từ sơ đồ trên, nếu xem (Ca(r) + C(gr) + 2 O2(k)) là trạng thái đầu và CaCO 3(r) là trạng thái cuối, theo định luật Hess, chúng ta có: ∆ H3 = ∆ H1 + ∆ H2 + ∆ H Do đó: ∆ H = ∆ H3 – ( ∆ H1 + ∆ H2) = -1207 −¿ (−¿636−¿394) = −¿177 kJ/mol Như vậy: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học bằng tổng sinh nhiệt của các sản phẩm trừ đi tổng sinh nhiệt của các chất phản ứng. - Cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào sinh nhiệt: Quy tắc chung: ∆H = ∑ ∆ H 0s , sp −¿ ∑ ∆ H 0s , cđ 2.Thiêu nhiệt (Entanpi cháy ) - Định nghĩa: Thiêu nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy một mol chất đó bằng oxi ở điều kiện tiêu chuẩn để tạo thành các oxit bền. Ví dụ: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: CH4(k) + O2(k) → CO2(k) + H2O(l) ∆ H 0298 = -889,9 kJ/mol được gọi là thiêu nhiệt của CH4. - Lúc đầu khái niệm thiêu nhiệt được áp dụng chủ yếu cho các hợp chất hữu cơ, trong đó sản phẩm của sự cháy là khí CO 2 và nước ở thể lỏng.Về sau khái niệm này được mở rộng cả cho các chất khác nữa. Dễ dàng thấy rằng, đối với các nguyên tố, thiêu nhiệt của một nguyên tố cũng chính là sinh nhiệt của oxit bền nhất của nó. - Ứng dụng: Có thể tính hiệu ứng nhiệt của một phản ứng khi biết thiêu nhiệt của các chất phản ứng và các sản phẩm. Trang 10 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Ví dụ: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng: C2H5OH(l) + CH3COOH(l) → CH3COOC2H5(l) + H2O(l) Cho biết thiêu nhiệt của các chất như sau: C2H5OH(l) ∆ Htn1 = -1366,9 kJ/mol CH3COOH(l) ∆ Htn2 = - 871,1 kJ/mol CH3COOC2H5(l) ∆ Htn3 = -2284,0 kJ/mol Giải: Có thể lập sơ đồ sau: Trạng thái đầu: C2H5OH(l) +3O2(k) + CH3COOH(l) ∆H CH3COOC2H5(l) + H2O(l) +2O2(k) +5O2(k) ∆ Htn2 ∆ Htn3 ∆ Htn1 2CO2(k) +3H2O(l) + 2CO2(k) + 2H2O(l) Từ sơ đồ theo định luật Hess, ta có: ∆ H + ∆ Htn3 = ∆ Htn1 + ∆ Htn2 Hay ∆ H = ∆ Htn1 + ∆ Htn2 - ∆ Htn3 = 46,00 kJ/mol Như vây, từ thí nghiệm trên ta thấy: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất đầu trừ đi tổng thiêu nhiệt của các sản phẩm. - Cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào thiêu nhiệt: Ta có: ∆H = ∑ ∆ H 0tn, cđ −¿ ∑ ∆ H 0tn, sp -Chú ý: + Những chất không cháy trong oxi thì thiêu nhiệt của nó bằng không Ví dụ: O2 trong O2; SO3 trong O2 ;... + Thiêu nhiệt của đơn chất cũng chính là sinh nhiệt của oxit bền nhất của nó. Trang 11 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương 3.Năng lượng liên kết hóa học: -Định nghĩa: Năng lượng liên kết hóa học là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó để tạo thành các nguyên tử ở thể khí. A −¿ B → A(k) + B(k) Ví dụ: O H EA-B → 2H(k) + O(k) H -Cách tính hiệu ứng nhiệt dựa vào năng lượng liên kết: ∆H A −¿ B + C −¿D E(A-B) E −¿F E(C-D) -E(E-F) A(k) + B(k) C(k) + D(k) Ta có : ∆ H = EA-B + EC-D −¿ EE-F Ví dụ: Xét phản ứng đốt cháy etan (C2H6) : C2H6(k) + O2(k) → 2CO2(k) + 3H2O(k) 0 ∆ H2 C2H6(k) + O2(k) 2CO2(k) + 3H2O(k) EC-C + 6EC-H 2∆ H 03 2C(k) + 6H(k) -2∆ H 01 0 3 ∆ H4 2C(r) -3EH-H +2O2(k) 3 3H2(k) + 2 O2(k) Áp dụng định luật Hess cho chu trình này, ta được: 0 0 0 0 ∆ H 2 = EC-C + 6EC-H - 2 ∆ H 1 -3EH-H + 2∆ H 3 + 3 ∆ H 4 4. Nhiệt phân li - Định nghĩa : Nhiệt phân li của một chất là năng lượng cần thiết để phân hủy 1 mol phân tử của chất đó ( ở thể khí ) thành các nguyên tử ở thể khí. Ví dụ: H2(k) → 2H(k) H = 435,9 kJ/mol Trang 12 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương O2(k) → 2O(k) H = 489,5 kJ/mol K(tt) H = 1665,2 kJ/mol → K(k) - Nhiệt phân li của các phân tử hai nguyên tử thường được xác định bằng phương pháp quang phổ và được cho trong các tài liệu tra cứu. - Nhiệt phân li còn được gọi là nhiệt nguyên tử hóa. 5. Nhiệt chuyển pha - Quá trình chuyển pha là quá trình trong đó một chất chuyển từ một trạng thái tập hợp này sang một trạng thái tập hợp khác. - Các quá trình chuyển pha thường gặp là: + Sự nóng chảy, sự hóa rắn, + Sự bay hơi, sự ngưng tụ, + Sự thăng hoa, + Sự chuyển dạng thù hình. - Các quá trình chuyển pha cũng thường kèm theo hiệu ứng nhiệt, gọi là nhiệt chuyển pha. Ví dụ: Pđỏ → Ptrắng H = 15,5 kJ/mol H2O(r) → H2O(l) H = 44,0 kJ/mol - Có thể xác định nhiệt chuyển pha của các quá trình khác nhau bằng cách sử dụng định luật Hess. Ví dụ : Xác định hiệu ứng nhiệt của quá trình: C(graphit) → Khi biết: C(kim cương) (1) C(gr) + O2(k) → CO2(k) H1 = -393,5 kJ/mol (2) C(kim cương) + O2(k) → CO2(k) H2 = -395,4 kJ/mol (3) Giải: Lấy (2) – (3) sẽ thu được (1). Do đó: H = H2 - H3 = -393,5 – ( -395,4) = 1,9 kJ/mol Trang 13 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương 6.Nhiệt hiđrat hóa của các ion : - Quá trình hiđrat hóa là quá trình tương tác giữa các ion của chất tan với các phân tử nước, sản phẩm tạo thành được gọi là các ion hiđrat hóa. - Hiệu ứng nhiệt của quá trình hiđrat hóa được gọi là nhiệt hiđrat hóa của ion. - Quá trình hiđrat hóa về bản chất là một quá trình hóa học phát nhiệt. - Sinh nhiệt tiêu chuẩn của ion hiđrat hóa là hiệu ứng nhiệt của quá trình tạo thành một mol ion hiđrat hóa từ đơn chất ở trạng thái chuẩn. Ví dụ: Sinh nhiệt tiêu chuẩn của ion H + .aq là hiệu ứng nhiệt của quá trình 1 H → H+.aq 2 2(k) : ∆H 0 H +¿ .aq ¿ Ca2+(k) + aq → Ca2+.aq ∆ H 0298, h = -1575 kJ/mol - Để xác định sinh nhiệt tiêu chuẩn của các ion người ta quy ước: sinh nhiệt tiêu chuẩn của H+.aq bằng không. Trên cơ sở này người ta tính sinh nhiệt tiêu chuẩn và nhiệt hiđrat hóa của các ion khác. - Chú ý: Khi biết sinh nhiệt tiêu chuẩn của các ion hiđrat hóa, có thể xác định nhiệt hòa tan của hợp chất tương ứng theo quy tắc tính H theo sinh nhiệt tiêu chuẩn. Ví dụ: Quá trình hòa tan của NaCl có thể biểu diễn như sau: NaCl(r) + aq → Na+.aq + Cl-.aq ∆ H 298 ( kJ/mol)-410,8 0 -239,6 -167,4 H = -239,6 + (-167,4) – (-410,8) = 3,8 kJ/mol 7.Năng lượng mạng lưới tinh thể(Utt): - Định nghĩa: Năng lượng mạng lưới tinh thể ion là năng lượng được giải phóng khi một mol chất tinh thể được hình thành từ các ion ở thể khí. Na+(k) + Cl-(k) → NaCl Ba2+(k) + 2Cl-(k) → BaCl2 - Ý nghĩa của năng lượng mạng tinh thể: Cho biết độ bền, độ hòa tan và nhiều tính chất khác của hợp chất ion. Trang 14 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương - Phân biệt với năng lượng tương tác E giữa hai ion: Năng lượng mạng tinh thể U cho biết độ bền của hợp chất ion còn năng lượng tương tác E giữa hai ion chỉ cho biết độ bền của một phân tử gồm hai ion. - Đối với mạng tinh thể ion (các phân tử cấu trúc là các ion dương và âm) có thể tính chính xác năng lượng mạng lưới tinh thể khi biết các đại lượng nhiệt hóa học khác như sinh nhiệt của chất, nhiệt thăng hoa, nhiệt phân li, năng lượng ion hóa, ái lực electron,… - Ái lực electron của một nguyên tố là hiệu ứng nhiệt của quá trình một mol nguyên tử của nguyên tố đó (ở thể khí) kết hợp với electron tự do để tạo thành ion âm tương ứng (ở thể khí). - Phương pháp xác định năng lượng mạng tinh thể U: + Nếu biết cấu trúc và thành phần của một hợp chất ion, có thể xác định U theo định luật Coulomb. + Xác định gián tiếp U bằng chu trình Born-Haber (Max Born + Fritz Haber). - Chú ý: Trong thực tế năng lượng mạng lưới tinh thể U tt được tính toán lí thuyết dựa trên cấu trúc hình học của mạng lưới tinh thể. Vì vậy người ta thường dùng chu trình Born – Haber để xác định ái lực với electron của các nguyên tố, một đại lượng rất khó xác định bằng thực nghiệm. III.Chu trình Born – Haber Fritz Haber (1868 – 1934) là một nhà Hóa học Đức, người được nhận giải Nobel hóa học vào năm 1918 cho những cống hiến của ông trong việc phát triển phương thức tổng hợp amonia, đóng vai trò quan trọng cho tổng hợp phân bón và chất nổ. Max Born ( 1882 –1970) là một nhà Vật lý và một nhà Toán học người Đức. Ông được trao thẳng giải Nobel Vật lý vào năm 1954 cho " nghiên cứu cơ bản của ông về Cơ học lượng tử, đặc biệt trong việc giải thích thống kê về chức năng sóng. Max Born cũng có đóng góp cho vật lý học thể rắn và quang học và giám sát công việc của một số nhà vật lý nổi tiếng trong những năm 1920 và 1930. Trang 15 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Với sự cộng tác của Max Born, F.Haber đã đưa ra chu trình Born–Haber như là một phương pháp ước tính năng lượng tinh thể của kim loại rắn. Chu trình nhiệt hóa học hay chu trình Born – Haber (Booc – Habe) Một phương pháp ứng dụng của định luật Hess thường được dùng để tính hiệu ứng nhiệt của các quá trình (năng lượng mạng tinh thể, nhiệt hidrat hóa, nhiệt hóa hơi …) là lập những chu trình nhiệt hóa học trong đó quá trình mà chúng ta quan tâm là một giai đoạn của chu trình, khi chúng ta đã biết hiệu ứng nhiệt của các giai đoạn khác trong chu trình. Sau đây là một vài ví dụ. Ví dụ 1: Tính năng lượng mạng lưới của tinh thể NaCl. Năng lượng mạng lưới của tinh thể NaCl là hiệu ứng năng lượng của quá trình: Na+ + Cl- → NaCl (tt) E NaCl Lập chu trình nhiệt hóa hơi như sau : Na+ (k) INa Na(k) ENaCl + Cl-(k) + ACl Cl(k) NaCl(tinh thể) H(tt) 1 D 2 Cl Hth Na 2 Na(r) + 1 Cl 2 2 (k) Trong đó đã biết hiệu ứng nhiệt của các quá trình sau : - Nhiệt thăng hoa của Na : Hth Na = 25,9 kcal/mol. - Nhiệt phân ly của Cl2 thành nguyên tử : D Cl = 57,2 kcal/mol. - Năng lượng ion hóa của Na : INa = 117,8 kcal/mol. - Ái lực electron của Clo : ACl = - 88,0 kcal/mol. - Nhiệt tạo thành của muối NaCl tinh thể (từ các đơn chất) : H(tt) NaCl = 98,2 kcal/mol. Từ đó theo định luật Hess ta có thể tính được năng lượng mạng lưới của NaCl : ENaCl = H(tt NaCl) – (HthNa + ½ D Cl + INa + ACl) Thay các giá trị vào ta được : ENaCl = - 182,5 kcal/mol. Ví dụ 2 : Tính năng lượng phân li Hlk HCl giữa các nguyên tử H và Cl trong phân tử HCl, nghĩa là năng lượng được giải phóng khi tạo thành phân tử HCl từ các nguyên tử H và Cl. Biết Nhiệt phân li Cl2 và H2 thành nguyên tử : D H =¿103,4 kcal/mol, DCl =57,2 kcal/mol . Nhiệt tạo thành khí HCl : HHCl = - 22,1 kcal/mol. Ta lập chu trình nhiệt hóa sau : 2 2 2 2 Hlk HCl Trang 16 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương H(k) 1 D 2 H ½ H2 + Cl(k) HCl(k) 1 D 2 Cl 2 HHCl 2 + ½ Cl2 Từ chu trình trên khi áp dụng định luật Hess ta có : Hlk HCl + HHCl = ½ D H + ½ D Cl 2 2 ⇒ (103,4 + 57,2) 2 Hlk HCl = -22,1 – Hlk HCl = HHCl – (½ D H + ½ DCl ) 2 2 = -102,4 kcal/mol C. HỆ THỐNG CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN Trang 17 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Câu 1: [14] Cho biết hiệu ứng nhiệt đẳng áp tiêu chuẩn của ba phản ứng: N2(k) + 3O2(k) + H2(k) 0 → 2HNO3(k) ∆ H 298 = -414,8 kJ N2O5(k) + H2O(k) → 2HNO3(k) ∆ H 298 = +218,4 kJ 2H2O(k) → 0 2H2(k) + O2(k) 0 ∆ H 298 = +483,6 kJ Vậy, hiệu ứng nhiệt đẳng áp tiêu chuẩn của phản ứng sau: 2N2O5(k) → 2N2(k) + 5O2(k) có giá trị bằng: A. +149,6 kJ B. -90,8 kJ C. +782,8 kJ D.-1750 kJ Đáp án: C Hướng dẫn giải: Lập chu trình chuỗi các phản ứng sau: N2(k) ∆H + H2(k) + 3O2(k) ∆ H3 ∆ H1 2HNO3(k) ∆ H2 N2O5(k) + H2O(k) Theo định luật Hess, ta có: 1 H = H2 - H1 - 2 H3 Vậy hiệu ứng nhiệt của phản ứng cần tìm là: 2H = +782,8 kJ/ mol Câu 2: Trộn 50ml dung dịch CuSO4 0,40 M với 50 ml dung dịch KOH 0,60 M trong một nhiệt lượng kế đẳng áp. Biết biến thiên entanpi tiêu chuẩn của Cu 2+; SO42-; K+; OH-; Cu(OH)2 lần lượt là: 64,4 ; -907,5 ; -251,2 ; -229,99 ; -451,98 kJ/ mol. Chọn số câu đúng trong các câu sau: 1, Nhiệt lượng kế và dung dịch đã hấp thụ 56,4 kJ nhiệt lượng. 2, Tổng hàm lượng nhiệt của các chất phản ứng nhỏ hơn tổng hàm lượng nhiệt của các chất sản phẩm. Trang 18 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương 3, Sau khi phản ứng kết thúc cho lượng dư dung dịch Ba(OH) 2 vào dung dịch nước lọc thì xuất hiện 5,15 g kết tủa. 4, Thực tế hiệu ứng nhiệt của phản ứng là 0,846 kJ 5, Hiệu suất phản ứng là 100 % 6, Lọc kết tủa cho vào lượng dư dung dịch H 2SO4 loãng phản ứng thoát ra 0,8295 kJ nhiệt thì hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo 1 mol nước từ ion H + và OHtrong dung dịch là -285,84 kJ/ mol. A. 2 B. 3 C.4 D.5 Đáp án A : câu 3, 4 đúng Hướng dẫn giải: CuSO4(dd) + 2NaOH(dd) → Cu(OH)2(r) + Na2SO4(dd) 0,015  0,03 (mol) Cu2+ + 2OH- hay → Cu(OH)2 H 01 = -56,4 kJ/ mol Suy ra : H = -56,4 x 0,015 = 0,846 kJ/ mol + Ba2+ + SO42- → BaSO4 0,02 0,02 0,02 (mol) Cu2+ + 2OH- → Cu(OH)2 0,005 0,01 0,005 (mol) Khối lượng kết tủa là: m = 0,02 x 233 + 0,005 x 98 = 5,15 (g) + Cu(OH)2 + 2H+ 0,015 0 H2 = → Cu2+ + 2H2O H 02 0,03 −0,8295 = -55,3 kJ/ mol 0,015 Cộng (1) và (2) ta được 2H+ + 2OH- → 2H2O H = ( H 01 + H 02 ) : 2 = -55,85 kJ/mol. Trang 19 GVHD: ThS. Đinh Quý Hương Câu 3: Đốt cháy hoàn toàn 15,5 g cacbon bằng một lượng vừa đủ không khí có thể tích 25,0 lít ở 250C và 5,50 atm (không khí chứa 19% thể tích oxi). Thu được sản phẩm là CO2 và CO. Tính lượng nhiệt tỏa ra ở điều kiện đẳng áp? Cho nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của CO2 và CO lần lượt là -94,05 kcal/mol và -26,41 kcal/mol. A. +91,2 kcal/mol B. -91,2 kcal/mol C. -156,6 kcal/mol D. -156,6 kcal/mol Đáp án: B Hướng dẫn giải: nC = 1,3 mol nkk = 5,63 mol suy ra nO = 5,63 × 0,19 = 1, 07 mol. 2 1 ∆ H1 = -26,41 kcal/mol C(gr) + 2 O2(k) → CO(k) a 0,5a (mol) ∆ H2 = -94,05 kcal/mol C(gr) + O2(k) → CO2(k) b b (mol) Ta có hệ phương trình sau: a + b = 1,3 a = 0,46 0,5a + b = 1,07 b = 0,84 ∆ H = ∆ H1 × 0,46 + ∆ H2 × 0,84 = -91,1506 kcal/mol. Câu 4: [14] Biến thiên entanpi tiêu chuẩn của phản ứng trung hòa trong dung dịch 1 mol CsOH với 1 mol axit mạnh HCl là -56, 0 kJ. Biến thiên entanpi tiêu chuẩn của phản ứng trung hòa trong dung dịch 1 mol CsOH với 1mol axit yếu HF là -68,6 kJ. Xác định biến thiên entanpi tiêu chuẩn của quá trình ion hóa 1 mol HF trong nước. A.-12,6 kJ/mol B. +12,6 kJ/mol C. -124,6 kJ/mol D. +124,6 kJ/mol Đáp án: A Hướng dẫn giải: OH- (dd) + H+(dd) → H2O(l) ∆ H0 = -56,0 kJ OH-(dd) + HF(dd) → H2O(l) + F-(dd) ∆ H0 = -68,6 kJ HF(dd) → H+(dd) + F-(dd) ∆ H0 = -68,6 – (-56,0)= -12,6 kJ Câu 5: [14] Hòa tan muối CuSO4.5H2O vào nước là một quá trình thu nhiệt. Khi hòa tan 1 mol muối CuSO4.5H2O trong một lượng lớn nước tại áp suất không đổi, lượng nhiệt thu vào là 5,44 kJ. Trái lại khí hòa tan 1 mol muối CuSO 4 khan Trang 20