(SKKN CHẤT 2020) bài TOÁN NHIỆT hóa học và cân BẰNG hóa học

Nhiệt tạo thành sinh nhiệt, nhiệt phân huỷ: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở đi

Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự học, tự sáng tạo của học sinh thì giáo viêncũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp các bài tập phùhợp với mức độ yêu cầu của các kỳ thi Trong quá trình giảng dạy đặc biệt là dạy đối tượng họcsinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một số chuyên đề rấtmới và cần phải đào sâu kiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài liệu và việc tự họcsinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là rất khó.Vì vậy thực tếyêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho học sinh cũng như hệthống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh Với ý định đó, trong sáng kiếnkinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tậpthuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về bài toán nhiệt hóa học- cân bằng hóa học Dĩnhiên phương pháp này nó là sự kết hợp giữa lý thuyết mà học sinh tiếp thu được trong quátrình học tập ở phổ thông.

AI.THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:

* Kết quả, hiệu quả:

Với thực trạng nêu trên với những học sinh có kỹ năng tốt sẽ suy luận để đưa ra nhữngcách giải hợp lý không không giải được Từ đó ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu các kiến thứcmới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinh còn nhiều hạn chế và chưa phù hợp vớimức độ của các kỳ thi

Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói quenkhi gặp các vấn đề mới mà trong chương trình phổ thông còn hạn chế thì giáo viên phải làngười đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tự học kiến thức mới và đưa ra cácphương pháp phù hợp Do đó trong quá trình giảng dạy tôi có đưa ra một phương pháp giải

nhanh bài toán hóa học : Bài toán nhiệt hóa học – cân bằng hóa học.

Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra một trong những phần kiến thức vàmột số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi Nội dung được thiết lập và được sử dụng cóhiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở rộng thông qua nội dung kiến thức, sự tích lũythành những kiến thức căn bản nhất cho học sinh trong chuyên đề

B CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN:

- Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh:

I Phần 1:

Cung cáp lý thuyết cho học sinh về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa

học A Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học

I Hệ:

1 Khái niệm:

*Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian xác định.

*Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.

*Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi trường ngoài.

*Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.

* Hệ đồng thể là hệ mà trong đó không có sự phân chia thành các khu vực khác nhau với

những

tính chất khác nhau Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất

*Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau.

2 Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ:

* Các đại lượng dung độ (khuếch độ) là các đại lượng phụ thuộc vào lượng chất như khối

lượng, thể tích …Các đại lượng này có tính chất cộng

* Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ, áp

suất, khối lượng riêng…

B Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

I Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay hấp thụ trong

phản ứng đó

II Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt:

1 Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

* Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho của đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn bằng không.

Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một mol chất đó

thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

Như vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trị bằng nhau nhưng trái dấu

chất đó bằng O2 để tạo thành các sản phẩm ở dạng bền vững nhất ở điều kiện tiêu chuẩn

III Định luật Hess

“Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu của các chấtphản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai đoạntrung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từ trạng thái đầu tới trạng thái cuối”

IV Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng

1 Phương pháp thực nghiệm:

Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứnghoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế Nhiệt lượng kế được bố trí sao chokhông có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Nó gồm một thùng lớn đựng nước,trong đó nhúng ngập một bom nhiệt lượng kế, đây là nơi thực hiện phản ứng hoá học Trongthùng còn đặt một nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que khuấy để để duy trìcân bằng nhiệt trong cả hệ

Phản ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế Nhiệt lượng giải phóng ra (phươngpháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ và làm tăng nhiệt độ củanhiệt lượng kế từ T1 đến T2 Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau:

Q = C(T2 – T1)

(1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K))

Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng

2 Phương pháp xác định gián tiếp.

Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các quá trình đã cho bằng các cách sau:

(1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học

(2) Cộng đại số các quá trình.

(3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm trừ tổng sinhnhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

(4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia trừ tổng thiêunhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

(5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liênkết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết trong cácchất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

B Nguyên lý I nhiệt động học

I Nội dung

Nội dung của nguyên lý I nhiệt động học là sự bảo toàn năng lượng:

“Năng lượng không thể sinh ra cũng như không thể tự biến mất mà chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác”

AI.Nội năng U và entanpi H

* Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, bao gồm: nănglượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử, năng lượng liên kết,năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử …

* Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác định được sựbiến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Giả sử ở trạng thái đầu

1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W và chuyển thành trạng thái 2 thì biếnthiên nội năng của hệ là: U = Q + W (Qui ước hệ nhận nhiệt thì Q > 0 và hệ sinh công thì W<0)

*Nếu phản ứng xảy ra trong bình kín, dung tích không đổi (quá trình đẳng tích) thì W =

0, khi đó: QV = U

* Nhưng nhiều phản ứng được thực hiện ở áp suất không đổi là áp suất khí quyển (quá trình đẳng áp), khi đó: W = - P V

U=QP–P V

Khi áp suất không đổi, lượng nhiệt QP đúng bằng biến thiên entanpi H.

BI. Quan hệ giữa Q P và Q V

n: Độ biến thiên số mol khí

không đáng kể Do đó, biến thiên thể tích của chất rắn và lỏng trong các phản ứng hoá học đượccoi bằng không Vì vậy, khi xét công cơ học ta chỉ chú ý đến biến thiên thể tích của các chấtkhí

IV Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Định luật Kirchoff

HT = H T +

Trong đó:

(3)

HT : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở Ti K

CP: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp của các chất trong phản ứng

Nếu nhiệt dung của các chất không phụ thuộc vào nhiệt độ thì CP = Const, khi đó:

HT = HT + CP(T2 – T1)

(4)

C Nguyên lý II nhiệt động học

I Khái niệm entropi

* Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử của hệ cần xét Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giá trị càng lớn

*Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ không thay đổi và nếu áp suất cũng không thay đổi thì biến thiên entropi của quá trình là:

AI.Nội dung nguyên lý II nhiệt động học

“Trong bất cứ quá trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ và môi trường xung quanh phải tăng”

BI. Năng lượng tự do Gibbs

* Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổi nhiệt vàcông với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để đánh giá chiều hướngcủa quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường xung quanh Vì vậy, người ta đã kếthợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi của hệ để tìm điều kiện duy nhất xác định chiềudiễn biến của các quá trình tự phát Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa ra đại lượng mới lànăng lượng tự do Gibbs và được định nghĩa: G = H – TS

* Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì:

G= H–T S

(7)Trong hệ thức này, G, H và S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét

G gọi là biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn là biến thiên thế đẳng áp hoặcentanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánh giá quá trình có xảy ra haykhông?

Nếu G < 0 thì quá trình tự xảy ra.

Nếu G = 0 thì hệ ở trạng thái cân bằng.

Nếu G > 0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự xảy ra)

IV Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học

* Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất là biến thiên thế đẳng áp của quá trình hình thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

( Go các chất có trong các tài liệu tra cứu)

2 Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học

Từ đó xác định được Ho và Go của các ion khác trong dung dịch

Người ta cũng thống nhất qui ước So(H+.aq) = 0 tại mọi nhiệt độ và từ đó cũng lập được bảng So cho các ion khác trong dung dịch

G = Go + RTln

trong đó:

Go: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng

ai: Hoạt độ cấu tử i

- Nếu i là chất khí thì ai = Pi / Po (Po là áp suất tiêu chuẩn và bằng 1 atm)

-Nếu i là chất tan trong dung dịch thì ai = Ci / Co (Co là nồng độ tiêu chuẩn và bằng 1M)

-Nếu i là dung môi hoặc chất rắn thì ai = 1

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì G = 0, do đó:

Go = - RTln (11) (CB chỉ các cấu tử ở trạng thái cân bằng)

Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, Go là một hằng số nên từ

(11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi là hằng số cân bằng

*Nếu Q = K a , phản ứng đang ở trạng thái cân bằng

II Các biểu thức tính hằng số cân bằng

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:

aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)

Kp = (15) (Pi: Giá trị áp suất riêng phần của cấu tử i ở TTCB

tính theo atm)

Pi = xi.P = niRT/V

Xét phản ứng đồng thể (xảy ra trong dung dịch hay pha khí):

aA + bB cC + dD

KC = (16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB)

(19) (P: Ấp suất chung của hệ)

KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy Kx không những phụ thuộc vào nhiệt độ

mà còn phụ thuộc vào cả áp suất chung của hệ Chỉ trong trường hợp n = 0, Kx = Kp, thì Kx mớikhông phụ thuộc vào áp suất chung của hệ

cKh2

X m

X n

maOx1 + ncKh2 mbKh1 + ndOx2 K = 10 mn(E o -E )/0,059

BI. Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ

Ta có:

Go = Ho – T So = - RTlnK

lnK = - +

Gọi K1, K2 là hằng số cân bằng của phản ứng ở T1K và T2K

Giả sử Ho và So của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì:

lnK1 = - +

lnK2 = - +

IV Sự chuyển dịch cân bằng

1 Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng

Cân bằng hoá học là một cân bằng động, được đặc trưng bởi các giá trị hoàn toàn xácđịnh của các thông số như nhiệt độ, nồng độ, áp suất của các cấu tử trong hệ Nếu người ta thayđổi một hoặc nhiều thông số này thì trạng thái của hệ bị thay đổi, cân bằng hoá học của hệ bịphá vỡ Sau một thời gian, hệ sẽ chuyển đến trạng thái cân bằng mới Hiện tượng này gọi là sựchuyển dịch cân bằng

2 Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ các chất

Xét phản ứng đồng thể đang ở trạng thái cân bằng: aA + bB cC + dD

* Nếu tăng nồng độ chất phản ứng A, B hoặc giảm nồng độ chất tạo thành C, D thì Q <

K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

* Nếu giảm nồng độ chất phản ứng A, B hoặc tăng nồng độ chất tạo thành C, D thì Q >

K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch

Kết luận: Cân bằng chuyển dich theo chiều chống lại sự thay đổi nồng độ các chất.

Ở đây ta chỉ xét sự thay đổi áp suất chung của cả hệ đến sự chuyển dịch cân bằng Ảnhhưởng của sự thay đổi áp suất riêng của từng cấu tử giống như ảnh hưởng của sự thay đổi nồngđộ

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:

aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)

Ta có:

Kx = Kp(P)- n (P: Áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng)

* n > 0:

Vì KP là hằng số ở nhiệt độ xác định nên khi P tăng thì Kx giảm, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn.

* n < 0:

Khi P tăng thì Kx tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận hay là chiều có số phân tử khí ít hơn

Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ ở trạng thái cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch về

phía có số phân tử khí ít hơn và ngược lại

* n = 0:

Khi đó, Kx = Kp, Kx không phụ thuộc vào áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng nên

sự thay đổi áp suất không làm chuyển dịch cân bằng

Khi T tăng thì lnK tăng, tức là K tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tức

là chiều thu nhiệt

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt và ngược lại.

5 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Một phản ứng đang ở trạng thái cân bằng khi tác động các yếu tố bên ngoài ( Nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại các tác động đó

PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG:

học: Ví dụ 1:

Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng :

3Fe(NO3)2(aq) + 4HNO3(aq) 3Fe(NO3)3(aq) + NO(k) + 2H2O (l)Diễn ra trong nước ở 250 C Cho biết:

Fe2+(aq) Fe3+(kJ/mol) -87,86 - 47,7

Lời giải:

Phương trình ion của phản ứng :

3Fe2+(aq) + 4H+(aq) + NO3

-(aq) 3Fe3+(aq) + NO(k) + 2H2O (l)H=3

Như vậy chỉ dựa vào H không đủ để xác định chiều hướng của một quá trình hóa học.

Uo = Ho - n.RT = -195,96+1.8,314 298,15 10-3 = -193,5 (kJ)

* Một số bài tập cân bằng hóa học:

Ví dụ 1 : Cho 1 (mol) PCl5 vào bình chân không thể tích V đưa lên nhiệt độ 5250K :

PCl5(k) PCl3(k) + Cl2(k)

Được thiết lập với Kp = 1,86 và áp suất của hệ là 2 atm

a Tính số mol mỗi chất tại cân bằng

b Cho 1 mol PCl5 và 1 mol He vào bình kín trên ở 5250K Tính số mol mỗi chất tại cân bằng

và cho nhận xét?

Lời giải:

Ban đầu

Phản ứng: x mol x mol x mol

Vậy nhh sau phản ứng = (1-x) + x + x = 1+x (mol)

Ta có PPCl = ; pPCl = và PCl =

Áp dụng biểu thức : Kp = Ta có = 1,86

Giải phương trình ta có x = 0,694(mol)

Vậy tại cân bằng số mol của PCl5(k) ;PCl3(k) và Cl2(k) lần lượt là: 0,306 ; 0,694 và 0,694 mol

b, Tại cân bằng câu a ta có nhh sau = 1+ x

nên V(bình) = = 36,44 (lít)

vậy theo câu b, nếu có thêm 1 mol He thì nhh sau = 2+x

Phệ = Tương tự chúng ta tính được PPCl ; PPCl và PCl tại cân bằng, thay vào Kp của hệ nữa ta có biểu thức:

Giải phương trình ta được x = 0,692 mol( t/mãn)

Vậy tại cân bằng mới thì số mol của PCl5(k) ;PCl3(k) và Cl2 lần lượt là 0,308; 0,692 và 0,692

mol KL: Bài toán đúng với nguyên lý chuyển dịch cân bằng hóa học

Ví dụ 2: Có cân bằng : CO(K) + H2O(Hơi) H2(K) + CO2(K) (1)

Cho vào bình phản ứng 6 (mol) hơi H2O và 1 mol CO ở 4600C thì thấy có 95%CO đã phản ứng

a Tính Kp của cân bằng trên ở 4600C

b Cho của phản ứng ở nhiệt độ trên là – 41,0 (KJ/mol) Tìm nhiệt độ mà tại đó có 99%