Tài liệu Skkn một số kinh nghiệm dạy tốt bài hiệu ứng nhiệt của phản ứng lớp 10 phân ban

  • Số trang: 30 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 94 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 20010 tài liệu

Mô tả:

SỞ GIÁO DỤC – ĐÀO TẠO TỈNH NINH THUẬN TRƯỜNG THPT CHU VĂN AN ---------- —¶– ---------- SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ KINH NGHIỆM DẠY TỐT BÀI HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG LỚP 10 PHÂN BAN Người thực hiện: Nguyễn Trung Quốc Chức vụ: Hiệu Trưởng Dạy: Môn Hóa Học Tp. Phan Rang – Thp chm, tháng 4 năm 2010 Hoàn cảnh nẩy sinh sáng kiến, kinh nghiệm : Một trong những xu hướng đổi mới phương pháp dạy học hiện nay là “ dạy học hướng vào người học”. Trên tinh thần đó, trong soạn giảng giáo viên cần chuẩn bị thật khéo léo và kỹ lưỡng, chọn lọc cả nội dung, cả phương pháp; giáo viên là người hướng dẫn, tổ chức để học sinh tích cực hoạt động tự mình tìm tòi, phát hiện và chiếm lĩnh kiến thức, từ đó học sinh có được niềm say mê học tập. Mỗi phản ứng hóa học đều kèm theo sự biến đổi năng lượng do sự khác nhau về năng lượng của các nguyên tử, phân tử giữa các chất phản ứng và sản phẩm. Năng lượng đó được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau, đặc biệt là nhiệt năng .Làm thế nào để học sinh hiểu và nắm vững phương pháp giải toán để xác định nhiệt của các phản ứng hóa học? Qua thực tế giảng dạy tôi xin đưa ra một số kinh nghiệm nhỏ của mình về 2 vấn đề: - Sử dụng định luật Hess như thế nào để giải các bài toán về nhiệt hóa học. - Một số dạng bài tập vận dụng định luật Hess. I. Qui trình thực hiện : Trong qúa trình thực hiện, tôi đã rút ra được một số kinh nghiệm như sau : * Đầu mỗi mục lớn là những nội dung lý thuyết căn bản. Tiếp đó là một số ví dụ, một số bài tập đã được lựa chọn nhằm giúp các em học sinh hiểu kiến thức sâu hơn và nâng cao kỹ năng vận dụng kiến thức. * Cuối cùng là một số bài tập nâng cao có lời giải tạo điều kiện cho các em tự bồi dưỡng để thi đại học, học sinh giỏi tỉnh và quốc gia. II. I. Phương trình trạng thái khí lí tưởng: Nếu có n mol khí ở áp suất p, nhiệt độ T, chiếm thể tích V thì phương trình trạng thái khí lí tưởng có dạng: PV = nRT = m RT M Trong đó: m : là khối lượng của khí (g) M: Khối lượng mol của khí (g/mol) R : là hằng số khí lí tưởng , R = 0,082 l3.atm.K-1.mol V : là thể tích (l) T : là nhiệt độ tuyệt đối ( T = t0C + 273) P : là áp suất (atm) Lưu ý: R là hằng số phụ thuộc vào đơn vị - P (N/m2) , V (cm3) Þ R = 8,314 N.m/K.mol hay 8,314 J/K.mol ( vì 1 N.m = 1J) - Vì 1 cal = 4,18 J Þ R = 1,987 cal/K.mol - P (mmHg) , V (ml) , 1 atm = 760 mmHg Þ R = 62400 mmHg. ml/ K.mol II. Ap suất riêng phần của khí ( Pi) Nếu trong 1 bình kín có 1 hỗn hợp khí (không tham gia phản ứng với nhau) thì mỗi khí gây nên một áp suất gọi là áp suất riêng phần của khí đó và được kí hiệu là Pi . Nếu gọi V là thể tích của hỗn hợp khí (bằng thể tích của bình đựng). Ta có: Pchung = å Pi = Pi = ni Pi = Trong đó: RT V å ni RT V hoặc Pi = xi P xi = với ni å ni ai .P 100 V là t2 của hỗn hợp khí P là áp suất chung của hỗn hợp khí xi là nồng độ phần mol của khí i trong hỗn hợp ni là số mol khí i trong hỗn hợp chiếm ai% thể tích hỗn hợp Pi là áp suất riêng phần của khí i Bài tập 1: Trộn 2 lít khí O2 với 3 lít khí N2 có cùng áp suất 1 atm được 5 lít hỗn hợp. Tính áp suất riêng phần của từng khí trong hỗn hợp? Giải: PO 2 = 2 . 1 = 0,4 atm; 5 PN 2 = 3 . 1 = 0,6 atm 5 Bài tập 2: Một bình kín dung tích 8,96 lít chứa 4,8g O2 ; 6,6g CO2 và 2,8g hợp chất khí A . Ở 27,3oC áp suất chung của hỗn hợp khí là 1,1 atm a/ Tính P riêng phần của mỗi khí ? b/ Tính MA? c/ Biết A là hợp chất có 2 nguyên tố có ti lệ khối lượng giữa 2 nguyên tố là 3/4 . Định CTPT của A? Giải: a/ nO 2 = 0,15 mol ; nCO 2 = 0,15 mol. Ap suất riêng phần mỗi khí: PO 2 = PCO 2 = nO2 RT V = 0,4125 atm Ta có: PO 2 + PCO 2 + PA = 1,1 Þ PA = 0,275 atm b/ nA = 0,1 mol Þ MA = 28 g/mol c/ Đặt A: Xx Yy mX = x MX mY = yMY Từ: mX mY = 3 4 Þ mX + mY = 28 Lập bảng chọn x = 1, y=1, mX = 12 = xMX mY = 16 = yMY MX = 12 (C ) và MY = 16 (O) Þ A: CO III. Nhiệt hóa học: - Một phản ứng hóa học xảy ra thường có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh: + Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng nhường nhiệt cho môi trường + Phản ứng thu nhiệt là phản ứng nhận nhiệt của môi trường - Nhiệt hóa học là ngành hóa học nghiên cứu nhiệt của các phản ứng hóa học. 1/ Nhiệt phản ứng: a) Nhiệt lượng tỏa ra hay hấp thụ của 1 phản ứng hóa học được gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng. Đơn vị: KJ / mol hay Kcal / mol. Thực nghiệm cho biết với mỗi phản ứng, giá trị nhiệt lượng đo được phụ thuộc vào: - Cách tiến hành đo ( Vd: Trong điều kiện đẳng tích hay đẳng áp) - Trạng thái của tác chất cũng như sản phẩm b) Hiệu ứng nhiệt phản ứng, đo ở điều kiện thể tích không đổi, được gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng tích. Hiệu ứng nhiệt đẳng tích = biến thiên nội năng của hệ ( D U) c) Hiệu ứng nhiệt phản ứng, đo ở điều kiện áp suất không đổi, được gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp. Hiệu ứng nhiệt đẳng áp = biến thiên ENTANPI của hệ ( D H) * Quy ước về dấu: Phản ứng tỏa nhiệt: D H < 0 ; D U < 0 Phản ứng thu nhiệt: D H > 0 ; D U > 0 Vd1: 2CO ( K ) + O2 ( K ) ® 2CO2 ( K ) D U = – 563,50 KJ 2CO ( K ) + O2 ( K ) ® 2CO2 (K ) 1 O2 ( K ) ® CO2 ( K ) Kim cương 2 1 C (r) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) 2 Vd2: C (r) + D H = – 565,98 KJ D H = – 395,41 KJ D H = – 571,68 KJ Than chì * D H được dùng nhiều hơn D U vì phản ứng thường xảy ra ở áp suất không đổi Ghi chú: - Khi viết phương trình nhiệt hóa học, ta cần lưu ý: + Hệ số của phương trình: 1 2 H2 ( K ) + O2 ( K ) ® H2O(lỏng) D H = – 285,84 KJ 2H2 ( K ) + O2 ( K ) ® 2H2O(lỏng) D H = – 571,68 KJ + Nếu áp suất và nhiệt độ tại đó xác định giá trị entanpi. Ap suất 1 atm, nhiệt độ 25 C (hay 289K) được gọi là áp suất tiêu chuẩn và nhiệt độ tiêu chuẩn nhiệt động lực học. 0 Vd: H2 ( K ) + 1 O2 2 (K ) ® H2O (lỏng) D H 0298 = - 285,84 KJ - Điều kiện chuẩn của phản ứng: 1 phản ứng hóa học được gọi là ở điều kiện chuẩn khi mỗi chất trong phản ứng ( kể cả các chất tham gia và sản phẩm phản ứng ) là nguyên chất ở áp suất 1 atm; nếu là chất tan trong dung dịch thì nồng độ của mỗi chất (hoặc ion) là 1 M và nhiệt độ của các chất đều bằng nhau 2/ Quan hệ giữa D H và D U : Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, Ta có: D H = D U + RT D n D n = å n khí (cuối) – å n khí (đầu) 8,314 J/ mol.K R= 1,987 cal/ mol.K Bài tập: Khi 1 mol CH3OH chúng ở 298K và ở thể tích không đổi theo phản ứng: CH3OH(lỏng) + 3 O2 ( K ) ® CO2 ( K ) + 2H2O(lỏng) nó giải phóng ra 173,63 Kcal nhiệt. 2 Tính D H của phản ứng? Giải: D U = - 173,63 (phản ứng tỏa nhiệt nên năng lượng của hệ giảm, D H < 0) Khi tiến hành phản ứng ở điều kiện P, T = Const, ta có: D H = D U + RT D n R = 1,987.10-3 Kcal / mol.K D n = nCO 2 – nO 2 = 1 – Þ 3 = – 0,5 2 D H = – 173,945 Kcal IV. Định luật Hess : 1/ Định luật Hess: Nhiệt của 1 phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu của phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường tiến hành phản ứng (Nói cách khác D H và D U của phản ứng là các hàm trạng thái) D H1 D H2 Tác chất D H1 Sản phẩm = D H2 = D H3 D H3 Vd: Từ graphit có thể điều chế CO2 bằng 2 cách: C1: C(gr) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) DH 1 O2 ( K ) ® CO ( K ) D H1 2 1 CO ( K ) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) D H2 2 Theo định luật Hess, ta có D H = D H1 + D H2 C2: C(gr) + + O2 C (gr) CO2 (K) DH D H1 + ½ O2 + ½ O2 D H2 CO(K) 2/ Hệ quả - Entanpi của phản ứng thuận = Entanpi của phản ứng nghịch nhưng ngược dấu D Ht = – D Hn Vd: CO ( K ) + 1 O2 2 (K ) ® CO2 ( K ) CO2 ( K ) ® CO ( K ) + 1 O2 2 D H 0298 = – 283 KJ (K ) D H 0298 = + 283 KJ - Hiệu ứng nhiệt của 1 quá trình vòng (chu trình) bằng 0 3/ Ứng dụng của định luật Hess Thiết lập một quá trình vòng gồm nhiều giai đoạn , trong đó 1 là quá trình đang xét và D H của tất cả các giai đoạn còn lại đều đã biết Vd: Xác định D H của phản ứng: S(r) + Biết 3 O2 ( K ) ® SO3 ( K ) 2 S(r) + O2 ( K ) ® SO2 ( K ) (2) SO2 + mol Giải: * Cách1: 1 O2 2 (K ) ® SO3 ( K ) (1) D H1 ? D H2 = – 297 Kcal / mol (3) D H3 = – 98,2 Kcal / - Từ những dữ kiện của bài toán, ta có thể lập sơ đồ sau: TTĐ TTC D H1 3 S(r) + O2 ( K ) 2 SO3 ( K ) (1) + O2 (K) D H2 D H3 (2) + ½ O2 (K) (3) SO2 (K) - Định luật Hess có : D H1 = D H2 + D H3 = – 395,2 Kcal / mol * Cách 2: (tổ hợp cân bằng) - Cộng phương trình (2) và phương trình (3) thu được phương trình (1) S(r) + O2 ( K ) ® SO2 ( K ) (2) D H2 = – 297 Kcal / mol 1 O2 ( K ) ® SO3 ( K ) 2 3 S(r) + O2 ( K ) ® SO3 ( K ) (1) 2 SO2 + D H3 = – 98,2 (3) Kcal / mol D H1 = – 395,2 Kcal / mol 4/ Quy tắc chung: Nếu 1 phản ứng là tổng đại số của 1 số phản ứng thành phần thì D H của nó bằng tổng đại số tương ứng của các D H của các phản ứng thành phần đó V. Một số đại lượng nhiệt hóa để xác định hiệu ứng nhiệt 1/ Sinh nhiệt hay nhiệt tạo thành - Nhiệt tạo thành của 1 hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các chất bền - Nhiệt tạo thành thường được đo trong điều kiện (1atm, 298 K) gọi là nhiệt tạo thành tiêu chuẩn hay enpanti tạo thành tiêu chuẩn và kí hiệu D H tto Vd: C (r) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) D H 0298 = – 393,51 KJ graphit D H tto (CO2, K) = – 393,5 KJ . mol -1 - Các đơn chất, theo định nghĩa, có entanpi tạo thành mol tiêu chuẩn bằng 0. Với đơn chất tồn tại nhiều dạng thù hình, dạng bền nhất được chọn làm chuẩn. Vd: với C đó là than chì, với S đó là S tinh thể trực thoi. - Công thức: D H0pư = å D H tto ( sản phẩm) – å D H tto (chất phản ứng) Bài tập: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng: CaO (r) + CO2 ( K ) ® CaCO3 (r) Biết nhiệt tạo thành của các chất Chất CaO (r) CO2 ( K ) CaCO3 (r) D H 0298 (KJ/mol) – 1207 – 636 – 394 Giải: * Cách 1: Theo định nghĩa , sinh nhiệt của các chất là hiệu ứng nhiệt của các phản ứng sau: Ca (r) + 1 O2 2 (K ) ® CaO (r) (1) D H1 = – 636 KJ / mol C (gr) + O2 ® CO2 ( K ) (K ) (2) D H2 = – 394 (3) D H3 = – 1207 KJ / mol Ca (r) + C (gr) + 3 O2 ( K ) ® CaCO3 (r) 2 KJ / mol - Hay có thể lập sơ đồ: 1 O2 2 Ca (r) + (K ) D H 30 + C (gr) + O2 (K) D H 10 CaCO3 (r) D H 02 CaO (r) CO2 DH ? - Theo sơ đồ trên, nếu xem ( Ca(r) + C (r) + 3 O2 ( K ) ) là trạng thái đầu và 2 CaCO3 (r) là trạng thái cuối, theo định luật Hess ta có: D H3 = D H2 + D H1 + D H Þ D H = – 177 KJ / mol * Cách 2: D H = D H CaCO 3 – ( D H CaO + D H CO 2 ) = –177 KJ / mol 2/ Thiêu nhiệt hay nhiệt đốt cháy - Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất bằng khí O2, để tạo thành sản phẩn cháy ở áp suất không đổi. Sản phẩm cháy của các nguyên tố C, H, N, S, Cl được chấp nhận tương ứng là CO2 ( K ) , H2O (lỏng) N2 ( K ) , SO2 ( K ) và H Cl ( K ) Vd: C6H5NH2( l ) + 31 7 O2 ( K ) ® 6 CO2 ( K ) + H2O ( l ) 4 2 + 1 N2 ( K ) 2 D H 0298 = – 3396 KJ 0 DH ( C6H5NH2, l ) = – 3396 KJ - Lưu ý : Đối với các nguyên tố, thiêu nhiệt của một nguyên tố cũng chính là sinh nhiệt của oxit bền nhất của nó 0 0 0 - Công thức : D H pư = å D H đc (tác chất) – å D H đc (sản phẩm) đc Bài tập 1: Từ các dữ kiện sau C (than chì) + O2 H2 ( K ) + 1 O2 2 (K ) (K ) 0 ® CO2 ( K ) D H = – 393,5 KJ 0 ® H2O(lỏng) D H = – 285,8 KJ 2C2H6 ( K ) + 7O2 ( K ) ® 4CO2 ( K ) + 6 H2O(lỏng) 0 D H = – 3119,6 KJ Tính biến thiên entanpi tiêu chuẩn của phản ứng: 0 2C (than chì) + 3H2 ( K ) ® C2H6 ( K ) DH = ? Giải: Biến thiên entanpi tiêu chuẩn của phản ứng cần tính bằng: 0 D H = ( – 393,5 x 2 ) + ( – 285,8 x 3) – ( – 3119,6 x 1 ) = – 2 84,6 KJ Bài tập 2: Giả sử có 3 phản ứng sau xảy ra trong điều kiện tiêu chuẩn nhiệt động học: a) C (r) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) b) C (r) + c) CO ( K ) 1 O2 ( K ) ® CO ( K ) 2 1 + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) 2 Biến thiên enpanti của phản ứng nào được coi là: 1. Entanpi tạo thành tiêu chuẩn của khí CO2 2. Entanpi đốt cháy của khí CO 3. Entanpi tạo thành tiêu chuẩn của khí CO 4. Entanpi đốt cháy của C Giải: 1.a) 2.b) 3.c) Bài tập 3: Cho các đơn chất Halogen sau: a) Khí clo Cl2 b) Clo lỏng Cl2 4.a) c) Hơi brôm Br2 d) Brôm lỏng Br2 e) Hơi iôt I2 f) Iot rắn I2 Trong số các đơn chất này, đơn chất nào có entanpi tạo thành tiêu chuẩn khác 0? Giải: Theo quy ước, ở 250C, khí Cl2, Br2 lỏng, I2 rắn có entanpi tạo thành mol tiêu chuẩn bằng 0. Cl2 lỏng, Br2 hơi và I2 hơi có entanpi tạo thành mol tiêu chuẩn ¹ 0 3/ Nhiệt chuyển pha - Quá trình chuyển pha là quá trình trong đó 1 chất chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác Ví dụ : Sự nóng chảy, sự hóa rắn, 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 và có thể xác định nhiệt chuyển pha của các quá trình khác nhau bằng cách sử dụng định luật Hess Ví dụ : H2O (r) ® H2O(lỏng) D H = 10,52 Kcal / mol C (gr) ® C (kim cương) D H = 0,453 Kcal / mol Bài tập 1: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng C (gr) C (kim cương) (1) Biết C (gr) + O2 ( K ) ® CO2 ( K ) (2) D H2 = – 94,052 Kcal / mol C (kim cương) + O2 (K ) ® CO2 ( K ) (3) D H3 = – 94,505 Kcal / mol Giải: C (gr) D H1 +½ O2 (K) D H2 C (Kim cương) D H3 CO2 (K) D H2 = D H1 + D H3 Þ + ½ O2 (K) D H1 = 0,453 Kcal / mol Bài tập 2: Xác định D H hóa hơi của H2O Biết D H0H 2 O (lỏng) = – 68,32 Kcal / mol 0 D H H 2 O (K) = – 57,80 Kcal / mol Giải: Có thể lập sơ đồ H2O (lỏng) H2 (K) + 1 O2 2 (K ) D H bay hơi H2O (K) Ap dụng định luật Hess: D H0H 2 O (lỏng) + D H bay hơi = D H0H 2 O (K) Þ D H bay hơi = 10,52 Kcal / mol 4/ Năng lượng liên kết (năng lượng phân li liên kết): ELK hay D HLK - Năng lượng liên kết là năng lượng tiêu tốn để phá vỡ liên kết có trong 1 mol pt ở trạng thái khí. Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng lớn. Trường hợp 1: Phân tử gồm 2 nguyên tử A – A Vd: H 2 ( K ) ® H ( K ) + H ( K ) ELK = + 436,4 KJ / mol Nghĩa là để bẻ gãy liên kết CHT trong 1 mol khí H2 cần tiêu tốn 436,4 KJ Trường hợp 2: Phân tử gồm 2 nguyên tử A – B Vd: HCl ( K ) ® H ( K ) + Cl ( K ) ELK = + 431,9 KJ / mol Trường hợp 3: Phân tử nhiều nguyên tử ABn. Ta có năng lượng liên kết trung bình Vd: Định năng lượng liên kết trung bình của các liên kết O – H trong phân tử H2O Ta có: H – O – H ( K ) H – O (K ) + H (K ) ELK = 493,7 KJ H – O (K ) O (K ) + H (K ) phương trình tổng cộng: H2O ( K ) ® 2H .. ( K ) + .. O .. (K ) ELK = 423,8 KJ ELK = + 917,5 KJ Ta có thể coi 458,8 KJ / mol là năng lượng liên kết trung bình của liên kết O – H trong phân tử H2O Công thức: D Hpư = å D HLK (có trong pt các chất phản ứng) – å D HLK (có trong pt của sản phẩm) Bài tập 1: Căn cứ vào năng lượng liên kết Liên kết CºC C–C Cl NLLK (KJ / mol) 812 347 Tính biến thiên enpanti tiêu chuẩn của phản ứng: H – C º C – H ( K ) + 2 Cl – Cl ( K ) C – Cl 339 242,7 Cl Cl H – C – C – H(K) Cl Cl Giải: Cl – 0 DH = E (C º C ) + 2E (C – H) + 2E (Cl – Cl) – E (C – C) – 4E (C – Cl) – 2E (C – H) = + 812 + 2. 242,7 – (347 + 4. 339) = – 405,6 KJ Bài tập 2: Tính năng lượng liên kết trung bình của liên kết N – H trong phân tử NH3, biết rằng: 1 3 N2 (K) + H2 (K) 2 2 0 D H = – 46,3 KJ NH3 (K) Biết năng lượng liên kết của N2 và H2 tương ứng là 941,4 KJ và 436,4 KJ Giải: 0 DH = 1 3 (941,4) + (436,4) – 3x = – 46,3 2 2 Þ x = + 390,5 KJ 5/ Năng lượng mạng lưới tinh thể ion ( U ) - NLML tinh thể U là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ 1 mol tinh thể thành các ion cô lập khí ở 0 K - NLML U có dấu dương, nó ngược dấu vơi năng lượng hình thành mạng lưới tinh thể - Giá trị U càng lớn thì mạng lưới tinh thể càng bền Vd: LiF (r) ® Li+ (K) + F —(K) U = + 1050 KJ / mol - Giá trị U tỉ lệ thuận với điện tích của các ion và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các ion trong tinh thể (rắn) : U » QC .Qa rC + ra - Để xác định U ta có thể dựa vào chu trình Bor n-Haber Vd: NLML ion của tinh thể NaCl được coi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau đây có đổi dấu: a+(K) + Cl—(K) ® NaCl (r) Ta có chu trình: (C ) Na (K) + Cl(K) Na+(K) + Cl—(K) (B) (D) Na (r) + 1 Cl2 (K) 2 (A) NaCl (r) Giai đoạn A: Hiệu ứng nhiệt của giai đo0n A chính là nhiệt tạo thành NaCl (r) Na (r) + 1 Cl2 (K) 2 ® NaCl (r) D H (A) = – 410,7 KJ / mol Giai đoạn B: Gồm sự thăng hoa của 1 mol nguyên tử Na và sự bẻ gãy liên kết của nữa mol khí clo (Nhiệt phân li nữa mol khí clo) Na (r) ® Na (K) D H1 = + 107,6 KJ / mol 1 Cl2 (K) ® Cl (K) 2 D H2 = + 120,0 KJ / mol Hiệu ứng nhiệt của giai đoạn này: D H (B) = D H1 + D H2 = + 227,6 KJ / mol Giai đoạn C: Gồm sự tách electron của nguyên tử Na (Năng lượng ion hóa Na) và sự kết hợp electron của nguyên tử clo (Ai lực với electron của clo) Na (K) ® Na+ (K) + 1e D H3 = + 495,8 KJ / mol Cl (K) + 1e ® Cl—(K) D H4 = – 348,8 KJ / mol Hiệu ứng nhiệt của giai đoạn này là: D H (C) = D H3 + D H4 = + 147,0 KJ / mol Giai đoạn D: Gồm sự tạo thành mạng lưới tinh thể ion Na+(K) + Cl—(K) ® NaCl (r) D H (D) Cuối cùng áp dụng định luật Hess cho chu trình trên: D H (A) = D H (B) + D H (C) + D H (D) = – 785,3 KJ / mol Vậy NLML tinh thể NaCl: U = + 785,3 KJ / mol Bài tập: Tính NLML tinh thể ion Bacl2 từ các dữ kiện sau: - Sinh nhiệt của BaCl2 tinh thể: – 860,23 KJ / mol - Nhiệt phân li của clo: + 238,49 KJ / mol - Nhiệt thăng hoa của Ba kim loại: 192,46 KJ / mol - Thế ion hóa thứ nhất của Ba: 501,24 KJ / mol - Thế ion hóa thứ hai của Ba 962,32 KJ / mol - Ai lực electron của Clo – 357,73 KJ / mol Giải: Năng lượng mạng lưới tinh thể ion BaCl2 (r) ® Ba2+(K) + 2Cl—(K) D H1 = ? Theo đề bài ta có: Ba (r) + Cl2 (K) ® BaCl2 (r) D H2 = – 860,23 KJ / mol Cl2 (K) ® 2Cl (K) D H3 = 238,49 KJ / mol Ba (r) ® Ba (K) D H4 = 192,46 KJ / mol + Ba (K) ® Ba (K) + 1e D H5 = 501,24 KJ / mol + 2+ Ba (K) ® Ba (K) + 1e D H6 = 962,32 KJ / mol — Cl (K) + 1e ® Cl (K) D H7 = – 357,73 KJ / mol D H2 D H4 Ba (r) + Cl2 (K) D H3 2Cl(K) Ba (K) D H5 Ba+(K) D H6 Ba2+(K) BaCl2 (r) – D H1 2 D H7 2Cl—(K) Theo định luật Hess ta có: D H2 = D H4 + D H5 + D H6 + D H3 + 2 D H7 – D H1 = 192,46 + 501,24 + 962,32 + 238,49 + 2(– 357,7) – (– 860,23) = 2039,28 KJ / mol VI. Xét chiều của phản ứng hóa học: Trong tự nhiên các quá trình tự nhiên xảy ra theo chiều hoàn toàn xác định Vd: - Nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh - Khí chuyển từ áp suất cao sang áp suất thấp - Axit HCl + dd NaOH ® NaCl + H2O Các quá trình ngược lại không thể tự xảy ra. Vậy để xét chiều của các quá trình lí học và hóa học, ngoài hiệu ứng nhiệt còn phải tính đến 1 hiệu ứng nữa là hiệu ứng NTROPI ( S) 1/ Entropi của 1 chất hay 1 hệ: a) Trong 1 hệ cô lập (hệ không trao đổi chất và năng lượng với môi trường), chiều của quá trình tự xảy ra là chiều tăng entropi của hệ, nghĩa là chiều của hệ chuyển từ trạng thái 1 với giá trị entropi S1 sang trạng thái 2 với giá trị entropi S2 có D S = S2 – S1 > 0 Vd: D S = S ( N 2 + Ar ) – ( S N 2 + S Ar ) > 0 N2 Ar b) Entropi là đại lượng đặc trưng cho độ hỗn độn (độ mất trật tự) của 1 chất hay hệ. Khi các chất nguyên chất trộn lẫn nhau thì độ hh tăng lên nghĩa là D S > 0 c) Một chất hay một hệ có độ hỗn độn càng lớn thì entropi càng lớn. Do đó độ hỗn độn của 1 chất hay 1 hệ càng lớn khi chất đó hay hệ đó càng nhiều hạt và sự chuyển động, dao động của các hạt càng mạnh ( liên kết giữa các hạt càng yếu) Vd: S H 2 O (rắn) < S H 2 O (lỏng) < S H 2 O (K) S H 2 (K) < S O 2 (K) < S O 3 (K) Bài tập áp dụng: 1/ Cho biết entropi của mỗi hệ biến đổi như thế nào trong từng quá trình sau: a) Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng b) Đường từ dung dịch kết tinh thành tinh thể c) Đun nóng khí H2 từ 600C đến 800C d) Nước đá khô thăng hoa e) N2 (K) + 3H2 (K) ® 2NH3 (K) f) C (r) + H2O (K) ® CO (K) + H2 (K) Giải: Entropi của hệ tăng trong các quá trình c , d , f và giảm trong các quá trình a , b , e 2/ Trong các phản ứng sau, những phản ứng nào có D S > 0 , D S < 0 , D S » 0 a) C (r) + CO2 (K) ® 2CO(K) >0 1 O2 (K) ® CO2 (K) 2 + Cl2 (K) ® 2HCl(K) b) CO(K) + <0 c) H2 (K) » 0 d) S (r) + O2 (K) ® SO2 (K) » 0 e) Zn (r) + 2HCl(dd) ® ZnCl2 DS > 0 * Qui ước: - Entropi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn chỉnh ở không độ tuyệt đối có giá trị bằng 0 S 0K = 0 - Giá trị entropi S của 1 chất xác định ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 298K 0 (25 C) gọi là entropi chuẩn của chất đó và được kí hiệu: S 0298 ( J. mol-1. K-1) - Entropi là một đại lượng dung độ Vd: S 0298 (H2, K) = 130,59 J.K-1.mol-1 -1 Þ Nếu 2 mol H2 thì entropi phải là 2. 130,59 = 261,18 J.K .mol -1 2/ Sự biến thiên entropi D S trong phản ứng hóa học: Xét phản ứng: aA + bB ® cC + dD Ở T và P không đổi, sự biến thiên entropi của phản ứng được tính theo công thức sau: D S 0pu = å S 0298 (sp pứ) – å S 0298 (chất pứ) = ( c SC + d SD) – (a SA + b SB) Vd: Tính D S của phản ứng sau: Chất SO2 (K) -1 -1 0 S 298 ( J. mol . K )248,52 SO2 + O2 (K) 205,03 1 O2 2 (K ) ® SO3 ( K ) SO3 (K) 256,22 Giải: D S 0298 = S 0298 (SO3,K) – [ S 0298 (SO2,K) + 1 0 S 298 (O2,K) ] 2 = – 94,81 J.K-1 Nhận xét : Phản ứng này có D S < 0 vì D n = 1 – (1 + 0,5) = – 0,5 < 0 3/ Thế đẳng áp: ( Entanpi tự do, năng lượng Gibbs) - Có 2 động lực (yếu tố) cho mọi quá trình tự xảy ra: + D H < 0 : Năng lượng của hệ giảm Þ trở thành hệ bền vững hơn ( đó là các phản ứng tỏa nhiệt) + D S > 0 : Hệ chuyển từ trạng thái có độ mất trật tự thấp sang trạng thái có độ mất trật tự cao hơn (độ tự do cao hơn) - Đối với phản ứng hóa học, khi xét chiều tự xảy ra thường phải kể đến cả hai yếu tố D H và D S. Trong mỗi quá trình luôn luôn có sự cạnh tranh giữa 2 yếu tố: Entanpi (giảm năng lượng) và Entropi (tăng độ mất trật tự) ® Yếu tố nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều hướng của quá trình. Vd 1 : Hơi H2O ngưng tụ thành H2O lỏng và tỏa nhiệt ( D H < 0) quá trình này kèm theo sự giảm entropi ( D S < 0 ) vì S H 2 O (K) >> S H 2 O (lỏng) Vd 2: CaCO3 (r) ® CaO (r) + CO2 (k) Đây là phản ứng thu nhiệt ( D H > 0) , kèm theo sự tăng entropi ( D S > 0) vì số mol khí ở sản phẩm nhiều hơn ở chất phản ứng. - Vậy để xét chiều của phản ứng phải dùng 1 đại lượng phối hợp cả 2 yếu tố D H và D S, đó là thế nhiệt động. Thế nhiệt động thường dùng là thế đẳng áp hoặc Entanpi tự do hoặc năng lượng Gibbs, được kí hiệu là D G và tính theo công thức DG = DH – TDS Nếu quá trình xảy ra ở điều kiện chuẩn Đơn vị: D G là J.mol-1 thì công thức trên có dạng: -1 0 0 0 D H là J.mol DG = DH – TDS -1 -1 D S là J.K .mol a) Xét chiều của phản ứng hóa học dựa vào các đại lượng nhiệt động: Ở P và T không đổi, 1 phản ứng sẽ tự xảy ra theo chiều: D G = D H – TDS < 0 - Dấu và độ lớn của D H và D S sẽ quyết định dấu của D G Trường Dấu Kết luận hợp DH DS DG 1 – + – Tự xảy ra 2 + – + Không tự xảy ra 3 – – ? Tự xảy ra ở T thấp 4 + + ? Tự xảy ra ở T cao * Lưu ý : Đơn vị D G thường là KJ.mol-1 hoặc Kcal.mol-1 -1 -1 D S thường là J.mol .K hoặc cal.mol-1.K-1 -3 Þ Khi tính D G thì D H giữ nguyên còn D S.10 và lúc đó đơn vị của D G là KJ hoặc Kcal Nếu D S để nguyên thì D H.103 và lúc đó đơn vị của D G là J hoặc cal ( 1 cal = 4,18 J) Vd: Xét phản ứng: CO2 ( K ) ® CO ( K ) + 1 O2 2 Biết các số liệu nhiệt động sau: Chất O2 (K) CO2 (K) -1 D H 0298 (KJ.mol ) – – 393,51 S 0298 (J.K-1.mol-1) 205,03 213,64 (K ) CO (K) – 110,52 197,91 a) Hãy cho biết điều kiện chuẩn (250C) phản ứng trên có xảy ra không? b) Nếu coi D H và D S không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hãy cho biết ở nhiệt độ nào phản ứng trên có thể xảy ra? Giải: 0 0 0 a) D H pư = D H CO – D H CO 2 = 282,99 KJ 0 pư = S0CO + 0 = D H0pư DS Þ DG pư 1 0 S O 2 – S0 CO 2 = 86,785 J.K-1.mol-1 2 – T D S0pư = 282,99.103 – 298 . 86,78 = 257128 J >0 Ở điều kiện chuẩn (250C) phản ứng này không xảy ra vì D G0pư > 0 b) Muốn phản ứng xảy ra phải có: Þ DG = DH – TDS < 0 Þ T > DH DS Nếu coi D H và D S không phụ thuộc nhiệt độ thì phản ứng xảy ra khi T > 282990 » 3261 K 86,785 b) Sự biến đổi D G theo T. Điều kiện nhiệt độ để phản ứng xảy ra tự phát: Trong trường hợp coi D H không phụ thuộc nhiệt độ, ta có: DGT2 T2 Bài tập: = DGT1 T1 + 1 1 – T2 T1 DH Ở điều kiện chuẩn tại 298 K một phản ứng có: D G 0298 = + 93000 J / mol ; D H 0298 = + 150000 J / mol 0 Hãy tính D G 1000 ở 1000 K và nhận xét về chiều tự phát của quá trình tại 2 nhiệt độ đã cho ở điều kiện tiêu chuẩn. Bỏ qua sự thay đổi D H0 theo nhiệt độ. Giải: Ta có: Þ 0 D G 1000 0 0 DG1000 DG298 1 1 = + D H0 1000 298 1000 298 93000 298 - 1000 = 1000 + 150000 298 1000.298 = – 41275 J / mol Nhận xét: Ở điều kiện tiêu chuẩn, tại 298 K ( hay 250C) phản ứng có D G0 > 0 nên chiều tự phát là chiều phản ứng nghịch. Tại 1000 K ( hay 7270C) D G0 < 0 nên chiều tự phát là chiều phản ứng thuận 4/ Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của một chất: - Ngoài việc tính D G0 của phản ứng theo công thức D G0 = D H0 – T D S0 , ta có thể tính D G0 dựa vào thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn ( tức năng lượng tự do tạo thành tiêu chuẩn) của các chất trong phản ứng - Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của một chất là sự biến thiên thế đẳng áp khi tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn. Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn kí hiệu D G tt0 hay D G 0S - Thế đẳng áp chuẩn tạo thành từ các đơn chất bền = 0 ( D G tt0 đơn chất = 0) - Dựa vào D G tt0 của các chất có thể tính được D G0pư của các phản ứng theo công thức 0 DG pư = å D G tt0 (sp) – å D G tt0 (tác chất) Bài tập: Dùng các số liệu D G 0298,tt của các chất, hãy xét phản ứng phân hủy đá vôi tự diễn biến ở điều kiện thường không? CaCO3 (r) CaO (r) + D G tt0 ( KJ / mol) – 1128,8 – 604,1 CO2 (K) – 394,4 D G 0298 (pư) = + 130,3 KJ Giải: Phản ứng phân hủy đá vôi không tự diẫn biến ở điều kiện thường * Ghi chú: Các phương pháp tính biến thiên năng lượng tự do của phản ứng 1. Tính theo biến thiên Entanpi và Entropi: 0 0 0 DG = DH – TDS kí hiệu “O” chỉ các giá trị lấy ở điều kiện chuẩn ( T = 298 K ; P = 1 atm) 0 D H là hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở đkc, có thể tính được dựa vào nhiệt tạo thành hay nhiệt cháy 0 0 0 D S là biến thiên entropi của phản ứng được tính D S pư = å S (sản phẩm) 0 å S (chất phản ứng) 2. Tính theo biến thiên năng lượng tư do của sự hình thành các chất D G 0S : Þ 0 DG pư = å D G 0S (sản phẩm) - å D G 0S (chất phản ứng) (Biến thiên năng lượng tự do của phản ứng) 3. Tính theo hằng số cân bằng của phản ứng: Ở thời điểm hệ đạt trạng thái cân bằng, biến thiên năng lượng tự do của chuẩn của 1 phản ứng liên hệ với hằng số cân bằng K của nó qua biểu thức 0 D G = – RT ln K = – 2,303 RT lg K R: hằng số khí lý tưởng bằng 1,987 cal . mol-1 . K-1 T: Nhiệt độ tuyệt đối K BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Bài 1: a) Chứng minh hệ quả của định luật Hess “ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng liên kết cùa các tác chất trừ tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm” b) Ap dụng: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau (các chất đều ở pha khí và nêu ý nghĩa hóa học của kết quả tìm được: ,t CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 ¾xt¾ + 3H2 ¾ ® Cho năng lượng liên kết (KJ / mol): Trong n – hexan: C – H: 412,6 C – C: 331,5 Trong benzen: C – H: 420,9 C – C: 486,6 Trong H2: H – H: 430,5 (trung bình) Bài 2: (X) là hiđrocacbon NO mạch hở trong phân tử chỉ có liên kết đơn hoặc liên kết đôi, phương trình nhiệt hóa học của phản ứng cháy của (X) như sau: 0 CnH2n + 2 – 2k + 3n + 1 - k O2 2 ® n CO2 + (n + 1 – k) H2O DH = – 1852 KJ Trong đó n là số nguyên tử C, k là số liên kết đôi C = C trong (X). Xác định CTCT của (X). Biết năng lượng liên kết các liên kết như sau: Liên kết NLLK ( KJ/mol) O= O 498 H–O C–H C=O C=C C–C 467 413 799 611 414 Bài 3: Tính hiệu ứng nhiệt D H của phản ứng sau, mỗi phản ứng tính 2 cách: Theo năng lượng và theo nhiệt tạo thành. a) CH4 (K) + 4Cl2 ® CCl4 (K) + 4HCl(K) b) 2Cl2 (K) + 2H2O(K) ® 4HCl(K) + O2 (K) Biết: Năng lượng liên kết (KJ / mol) Nhiệt tạo thành ( KJ / mol) C–C : 326,3 CH4 : – 74,9 H – Cl : 431,0 HCl : – 92,3 C – H : 414,0 CCl4 : – 108,5 Cl – Cl : 242,6 H2O(K) : – 241,8 O2 : 498,7 H2O : 925,95 Bài 4: Xét phản ứng tổng hợp Hidro iotua H2 (K) + I2 (r) D 2HI(K) D H = + 53 KJ (a) H2 (K) + I2 (r) D 2HI(K) DH = ? (b) a) Phản ứng (a) là tỏa nhiệt hay thu nhiệt ? b) Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng (b) dựa vào NLLK? Biết NLLK ( KJ / mol) : H – H là 436; H – I là 295 và I – I là 150. Giải thích sự khác biệt của 2 kết quả cho (a) và (b)? Bài 5: Tính năng lượng liên kết trung bình C – H và C – C từ các kết quả thí nghiệm: - Nhiệt đốt cháy CH4 : – 801,7 KJ / mol - Nhiệt đốt cháy C2H6: – 1412,7 KJ / mol - Nhiệt đốt cháy Hidro: – 241,5 KJ / mol - Nhiệt đốt cháy than chì : – 393,4 KJ / mol - Nhiệt hóa hơi than chì : 715 KJ / mol - NLLK H–H : 431,5 KJ / mol Bài 6: Cho các dữ kiện dưới đây: C2H4 + H2 ® C2H6 D H1 = – 136,951 KJ / mol 7 O2 ® 2CO2 + 3H2O lỏng 2 C2H6 + D H2 = – 1559,837 KJ / D H3 = – 393,514 KJ / mol C + O2 ® CO2 mol H2 + 1 O2 ® H2Olỏng 2 D H4 = – 285,838 KJ / mol Hãy xác định nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy C2H4 Bài 7: Cho các số liệu nhiệt động học của 1 số phản ứng ở 298K 2NH3 + 3N2O D 4N2 + 3H2O D H1 = – 1011 KJ / mol N2O + 9H2 D N2H4 + H2O D H2 = – 317 KJ / mol 2NH3 + 1 O2 2 D N2H4 + H2O D H3 = – 143 KJ / mol H2 + 1 O2 2 D H2O D H4 = – 286 KJ / mol Hãy tính nhiệt tạo thành của N2H4 và NH3? Bài 8: Cho biết nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của từng chất sau đây: CH3OH lỏng + -1 D H 0298 (KJ.mol ) S 0298 -1 – 238,66 (KJ.mol ) 126,8 3 O2 (K) 2 CO2 (K) + 2H2O(K) 0 – 393,51 205,03 213,63 – 241,82 188,72
- Xem thêm -