Hóa lí hóa học olympiad

50 chuyên đề Olympiad Hóa học 3 Nhiệt động học Động hóa học Lời mở đầu Các bạn độc giả thân mến Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ OLYMPIAD HÓA HỌC là tuyển tập các câu hỏi trong đề thi Olympiad q.

Trang 2

Trang 3

50 chuyên đề Olympiad Hóa học

3

Nhiệt động học

& Động hóa học

Trang 4

Từ cách đây 15 năm, các [cựu] quản trị viên box Hóa học OlympiaVN (nay

là Tạp chí KEM & website sachhoahoc.xyz) đã bắt đầu biên soạn các tàiliệu tương tự, được lưu hành nội bộ - gọi là các Compilation Tuy nhiên, 3

bộ Compilation trước đây bị giới hạn về mặt nội dung (chủ yếu là đề thiHSGQG Việt Nam và IChO, cùng với đề thi Olympiad của khoảng 3, 4nước), cũng như nhân lực và thời gian có hạn nên sự phân chia cácchuyên mục chưa thực sự chi tiết, chỉ chia thành 7 phần lớn chứ chưa chianhỏ thành các mảng chuyên đề sâu hơn Chính vì vậy, trong năm 2018-

2019, chúng tôi quyết định biên soạn lại bộ sách này, với cập nhật thêm

đề thi từ rất nhiều quốc gia trên thế giới (đặc biệt là những nước cótruyền thống về Olympiad Hóa học như Trung Quốc, Nga và các nướcSoviet cũ, các quốc gia khu vực Baltic, ) và quan trọng hơn là phân chianội dung chi tiết hơn, với 6 lĩnh vực, 50 chuyên đề - cố gắng bám sátkhung chương trình IChO trong khả năng có thể Hi vọng rằng, với tuyểntập này, lời đáp cho câu hỏi: "Có những gì trong đề thi Olympiad Hóahọc?" mà rất nhiều độc giả, đặc biệt là những bạn học sinh THPT, vốnthường thắc mắc - sẽ phần nào sáng tỏ

Lưu ý rằng tuyển tập này chọn lọc những câu hỏi từ các đề thi Olympiad,

do đó bạn sẽ cần phải có một nền tảng kiến thức tương đối vững chắc vềHóa học phổ thông chuyên sâu để trước khi bắt đầu với hành trình chinhphục kiến thức này Ngoài ra, do tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu nêntuyển tập chưa có được sự thống nhất về mặt danh pháp, mong bạn bỏqua cho sự bất tiện này

Chúc bạn tìm thấy những niềm vui trong học tập

Trang 5

Mục lục

Trang 6

Chuyên đề 20: Nguyên lí thứ nhất và enthalpy

Bài 1

Một bộ phim khoa học viễn tưởng về hành tinh Hạnh Phúc kể rằng cưdân trên hành tinh này dùng thang nhiệt độ oN tương tự như thang oCcủa chúng ta Trong thang oN, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của H2(chất hiện diện nhiều nhất trên hành tinh này) lần lượt được chọn là 0oN

và 100oN Cư dân trên hành tinh đó cũng biết về tính chất của các khí lýtưởng và họ thấy rằng với cùng n mol khí cho trước thì giá trị P.V là 28atm dm3 ở 0oN và 40 atm.dm3 ở 100oN Hãy cho biết 0oK trên thang nhiệt

độ tuyệt đối của chúng ta tương ứng với bao nhiêu oN trên thang nhiệt

độ của cư dân hành tinh đó

Trang 7

Bài 2

1 Phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = nRT thường chỉ phù hợp để

tính toán trạng thái của các khí thực ở áp suất thấp hoặc nhiệt độ cao(lúc này khí thực có tính chất gần với khí lý tưởng) Để tính toán chínhxác hơn, van der Waals đưa ra phương trình trạng thái khí thực như sau:

 

 ÷

 

vàthể tích (nb) trong phương trình van der Waals trên

b Cho 25g khí Ar trong một bình có thể tích 1,5 dm3 ở 30oC Áp suất khíbằng bao nhiêu nếu coi Ar là khí lý tưởng? Nếu coi Ar là khí thực?

Cho biết: Hằng số van der Waals của Ar: a = 1,337 dm6.atm.mol-2; b =

Trang 8

Bài 3

Lực tác dụng của một khí lên thành bình chứa nó bắt nguồn từ sự vachạm của các tiểu phân khí lên bề mặt Đối với một va chạm thì độ lớncủa xung va chạm ảnh hưởng lên thành bình bằng với sự biến đổi

momen động lượng trên bề mặt, mDv Lúc này lực tác dụng lên bề mặt

sẽ được tăng lên, nhân với tốc độ mà ở đó tiểu phân khí đạt được khiđập vào bề mặt

Do chuyển động của tiểu phân khí là ngẫu nhiên nên số va chạm trongmột đơn vị thời gian là hằng số của chất khí đó trong nhiệt độ không đổi.Nhiệt độ của khí phản ảnh sự phân bổ vận tốc khí Đối với một khí chotrước thì tốc độ của tiểu phân có thể cao hơn mức trung bình ở nhiệt độcao hơn

a) Dựa vào các thông tin trên, và cho rằng chất khí là không có vận tốcđầu ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Hãy xét xem các yếu tố sauđây ảnh hưởng như thế nào đến áp suất của hệ Áp suất sẽ tăng gấp đôi,giảm một nửa, tăng ít, giảm ít hay không thay đổi ?

1 Tăng gấp đôi số phân tử khí

2 Tăng gấp đôi thể tích bình chứa khí

3 Tăng gấp đôi khối lượng tiểu phân khí (cho rằng vận tốc tiểuphân vẫn không thay đổi)

4 Tăng nhiệt độ lên 10°C

Mô hình khí lý tưởng cho rằng không tồn tại tương tác giữa các phân tửkhí Tuy nhiên giữa các tiểu phân khí thực thì có nhiều loại tương tácnhư tương tác lưỡng cực - lưỡng cực tương tác lưỡng cực cảm ứng vàtương tácvan der Waals (tương tác giữa các lưỡng cực cảm ứng) Đườngcong ở hình bên chỉ ra thế năng tương tác giữa các phân tử khí:

Trang 9

Lực tương tác giữa hai tiểu phân khí ở một hệ số phân chia r xác định có

thể được tính từ gradient của đường cong năng lượng, có nghĩa F = –dV / dr.

b) Ở 4 điểm A, B, C và D trên hình vẽ thể hiện loại lực nào? (hút / đẩy /

xấp xỉ zero)

Sự sai lệch khỏi mô hình khí lý tưởng của một khí thường được xác định

định lượng theo biểu thức tính hằng số nén, Z.

Trang 10

Bài 4

Như một nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học, công thực hiệnđược bởi một máy định kỳ sẽ nhỏ hơn lượng nhiệt được chuyển hóa vàocông việc đó Chúng ta hãy quan sát một chu trình nhiệt động lực họccủa máy, chứa 3.0 mol Chu trình gồm bốn bước như sau:

A→B: giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch từ pA, VA (30.0 L) đến pB (1.70bar),VB ở 800°C

B→C: làm lạnh đẳng tích xuống 235°C

C→D: nén đẳng nhiệt thuận nghịch VA

D→A: nung nóng đẳng tích

1) Tính hiệu suất của máy

2) Tính giá trị p và V tại các điểm A, B, C, and D, và phác thảo chu trình

nhiệt động này bằng cách sử dụng giản đồ p-V (cần tính toán dạngcủa đường cong hyperbol) Đánh dấu phần hình học bằng cách tôđen, tương ứng với phần làm việc của hệ thống

3) Tính công của quá trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch ở 800°C và

lượng nhiệt thoát ra ngoài của máy

Giả định rằng, bắt đầu từ điểm A, máy giãnnở đoạn nhiệt thuận nghịchđến VB

4) Tính nhiệt độ và áp suất cuối cùng của quá trình giãn nở đoạn nhiệt

trên

Trang 11

Bài 5

Một bình kín thể tích V1 = 10.00 L với thành trong làm bằng chất dẻo

chứa đầy nước ở nhiệt độ T0 = 273.16 K Áp suất bên ngoài là 1.000 bar

Với bình này tiến hành một số thử nghiệm sau

Bước 1 Cho nước đóng băng nhưng nhiệt độ không đổi Lúc này thể tích

bình tăng lên

Bước 2 Hạ áp suất ngoài xuống còn 0.900 bar Lúc này băng tan và nước

được đun nóng đến khi sôi và bốc hơi hoàn toàn được thể tích hơi V2

Bước 3 Hơi nước được nén đoạn nhiệt cho đến khi đạt thể tích V3 =

10.00 m3

Bước 4 Cuối cùng tiếp tục nén thuận nghịch đẳng nhiệt hơi nước đến

khi đạt thể tích V4 = 5.00 m3

Điền các giá trị còn thiếu vào bảng dưới Cho rằng giá trị nhiệt giãn nở

mang giá trị âm

Nhiệt độ T, K Thể tích V, m3 Nhiệt giãn nở Bước 1 273.16 0.01000

Bước 2

Bước 4 456.21 5.00

Khối lượng riêng của nước và băng ở 0 °С lần lượt là 0.9987 g/cm3 và

0.917 g/cm3 Nước sôi ở 100.00°C (khi áp suất ngoài là 101325 Pa) Nhiệt

hóa hơi của nước là 40.655 kJ/mol Giá trị nhiệt dung riêng của nước là

P R T T

, Các phương trình nhiệt giãn nở

Trang 12

T V'

Trang 13

nhiều sự quan tâm

của giới khoa học và

Điều hòa không khí gia dụng đầu tiên của Soviet, BK-1500, đã được sảnxuất hàng loạt tại nhà máy "Bakkonditsioner" ở Baku, Azerbaijan Loạiđiều hòa này sử dụng chlorodifluoromethane CHF2Cl - một chất làm lạnhthuộc thế hệ thứ hai Trong bài tập này, chúng ta sẽ so sánh các loại chấtlàm lạnh khác nhau trên quan điểm nhiệt động học

Tính chất nhiệt động của các chất làm lạnh khác nhau:

Xét một chu trình làm lạnh hiện đại gồm 4 giai đoạn được biểu diễntrong đồ thị áp suất (p) – nội năng (U) dưới đây:

Chất làm lạnh Thế hệ ΔHvap / kJ·mol

–1(ở 280 K)

CV(gas) /J·K–1·mol–1

CF3CF=CH2 4 19.1 120

Trang 14

Giản đồ 1 Đường nét đứt xác định các biên phase

Trong giai đoạn đầu tiên của chu trình (đường 0-1 trong giản đồ 1), mộtchất làm lạnh lỏng hóa hơi ở nhiệt độ T1 (nhiệt độ sôi) và áp suất khôngđổi p1 cho đến khi bay hơi hoàn toàn Ở giai đoạn này, thiết bị làm lạnhhấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh Ở giai đoạn thứ hai, chất làmlạnh trải qua quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch và làm nóng lênnhiệt độ T2 (đường 1-2) Sau đó, chất làm lạnh bị nén được hạ nhiệttrong bộ ngưng tụ ở áp suất không đổi p2 (đường 2-3) rồi sau đó quaytrở lại trạng thái ban đầu (đường 3-0)

Xét chu trình với 1 mol chất làm lạnh, ban đầu (điểm 0) ở trạng thái lỏnghoàn toàn, T1 = 280 K, T2 = 380 K, giả sử rằng hơi của bất kì chất làm lạnhnào cũng có tính chất khí lí tưởng Những đặc trưng nhiệt động học củacác chất làm lạnh được liệt kê trong bảng trên

1.

1.1) Với mỗi chất làm lạnh, ammoni và chlorodifluoromethane, hãy

tính nhiệt lượng Q được hấp thụ bởi thiết bị làm lạnh trung quátrình trao đổi nhiệt (đường 0-1) và công W cần để nén đoạnnhiệt hơi của nó (đường 1-2)

1.2) Những đại lượng nào sau đây vẫn không thay đổi trong giai đoạn

nén đoạn nhiệt?

Để so sánh hiệu quả năng lượng của các chu trình máy lạnh với thông số

và chất làm lạnh khác nhau, có thể sử dụng hệ số hiệu suất (COP

Trang 15

coefficient of performance), được định nghĩa là tỉ lệ của nhiệt bị loại khỏi

hệ thống làm lạnh với công của máy nén:

= Q

COPW

1.3) Tính giá trị COP trong các chu trình của ammonia và

chlorodifluoromethane

2.

2.1) Tại sao ammonia lại bị thay thế bởi các CFC trong thiết bị làm

lạnh gia dụng?

a) Để tăng hiệu quả năng lượng của các chu trình làm lạnh

b) Do khối lượng riêng của ammonia nhỏ hơn của không khí trongcùng điều kiện

c) Vì các lý do an toàn cho người dùng

Việc tìm kiếm chất làm lạnh thay thế các CFC bắt đầu khi các nhà khoahọc phát hiện ra rằng việc sử dụng chúng có thể gây ra sự phá hủy khủngkhiếp, không thể phục hồi của tầng ozone bảo vệ trong khí quyển Vậy làtới lượt những chất làm lạnh thế hệ thứ ba, thân thiện với ozone, bướclên sân khấu Đại diện tiêu biểu của thế hệ này là các fluoroalkane

2.2) Nguyên nhân nào gây ra sự phá hủy tầng ozone bởi các CFC? a) Phân tử ozone dễ cộng vào liên kết C-F

b) Liên kết C-F dễ bị phá hủy bởi các bức xạ, dẫn tới sự hình thànhcác gốc tự do

c) Phân tử ozone dễ cộng vào liên kết C-Cl

d) Liên kết C-F dễ bị phá hủy bởi các bức xạ, dẫn tới sự hình thànhcác gốc tự do

Tuy nhiên, theo Nghị định thư Kyoto 1997, các fluoroalkane cũng phải bịthay thế bởi chúng bị tích tụ trong khí quyển và hấp thụ nhanh các bức

xạ hồng ngoại, gây ra sự tăng nhiệt độ khí quyển (hiệu ứng nhà kính).Sau đó, các chất làm lạnh thế hệ thứ tư, như 2,3,3,3-tetrafluoropropene

CF3CF=CH2, đã được đề xuất và đưa vào sử dụng

2.3) Tại sao hợp chất này tác động đến hiệu ứng nhà kính ít hơn các

Trang 16

3 Tính các giá trị của COP trong chu trình làm lạnh được xét đến ở trên

của hai chất làm lạnh thế hệ thứ ba và thứ tư – CH3CH2F và

CF3CF=CH2 So với CHF2Cl thì hiệu quả năng lượng có được cải thiệnkhông?

Không như các thiết bị gia dụng, các hệ thống làm lạnh công nghiệp hiệnvẫn thường sử dụng ammonia Nó không gây ra hiệu ứng nhà kính, cũngkhông phá hủy tầng ozone Các thiết bị công nghiệp có thể có kích thướcrất lớn và chi phí cao Trước khi xây dựng, chúng được mô hình hóa cẩnthận để tính toán nhiều yếu tố khác nhau Trong các hệ thực tế, một sốphần của chất làm lạnh ở thời điểm bắt đầu quá trình trao đổi nhiệt vớimôi trường ở phase hơi (điểm 0 trong giản đồ dưới đây), và khi kết thúc(điểm 1) luôn được đun nóng vượt quá điểm sôi

Giản đồ 2 Đường nét đứt xác định các biên phase

Xét một chu trình với 1 mol ammonia Các tính chất nhiệt động đượccho sau đây: enthalpy hóa hơi ΔHvap = 23.35 kJ·mol–1 ở Tvap = 239.8 К(nhiệt độ sôi ở áp suất 1 bar) Nhiệt dung của phase lỏng CV(liq) = 77 J·K–

1·mol–1, của phase khí CV(gas) = 26.7 J·K–1·mol–1 Giả sử rằng nhiệt dungkhông phụ thuộc vào nhiệt độ và hơi có tính chất như khí lí tưởng

Áp suất hơi bão hòa của ammonia phụ thuộc vào nhiệt độ theo phươngtrình kinh nghiệm sau:

log (p/bar) = 4.87 – 1114 / (T/K – 10.4)

Trong giai đoạn đầu tiên của chu trình (đường 0-1 trên giản đồ 2), hỗnhợp cân bằng của chất lỏng và hơi của nó nhận nhiệt từ môi trường ở ápsuất không đổi p1 = 3.0 bar Chất làm lạnh hóa hơi hoàn toàn và được

Trang 17

đun nóng tới nhiệt độ T1 = 275 K Trong thời điểm bắt đầu của quá trình(điểm 0), phần mol của ammonia khí là x = 0.13

4.1) Tính nhiệt độ đầu của chất làm lạnh T0, biến thiên thể tích của nó

ΔV và lượng nhiệt Q bị hấp thụ bởi chất làm lạnh trong quá trìnhnày Chú ý rằng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của ΔHvap là không thể

bỏ qua

Sau đó chất làm lạnh bị nén đoạn nhiệt thuận nghịch Nó bị đun nóng tớinhiệt độ T2 = 393 K (đường 1-2)

4.2) Xác định công W cần cho quá trình nén và COP của hệ Nếu

không thể tính được Q ở ý 4.1, hãy sử dụng giá trị Q = 20.15 kJ

Ở giai đoạn tiếp theo, tương ứng với đường 2-3 trên giản đồ, chất làmlạnh bị nén được hạ nhiệt trong bộ ngưng tụ ở áp suất không đổi Sau

đó, nó chuyển trở lại trạng thái đầu qua sự giãn nở đoạn nhiệt với côngbằng 0 (đường 3-0)

4.3) Xác định nhiệt độ T3 ở điểm 3 mà chất làm lạnh được hạ nhiệt

trong bộ ngưng tụ

Trong quá trình sản xuất các thiết bị làm lạnh, cần chú ý đến yếu tố khíhậu Nếu một bộ ngưng tụ được làm lạnh bởi không khí khí quyển, nhiệt

độ T3 tăng khi nhiệt độ không khí tăng

4.4) Giá trị COP sẽ thay đổi thế nào nếu T3 tăng trong khi T0, T1, T2 vẫn

giữ nguyên?

a) Tăng

b) Giữ nguyên

c) Giảm

Trang 18

1) Entanpy bay hơi.

2) Nhiệt độ sôi của n-propanol ở 1013 mbar

3) Áp suất mà ở đó n-propanol sôi ở 45°C

Trang 19

Bài 8

Bọ xịt hơi cay (hay Bọ cánh cứng Pháo thủ) được biết đến nhiều bởi cơchế phòng thủ độc nhất vô nhị Khi gặp nguy hiểm, chúng tiết ra mộtdòng chất lỏng nóng, có mùi kinh khủng làm cho kẻ thù hoảng sợ (xemhình.) Dòng chất lỏng được tạo thành từ phản ứng hoá học của một cặphợp chất, được nạp vào buồng phản ứng từ các khoang chứa trong cơthể loài bọ này Một trong các chất phản ứng thuộc nhóm hydroquinone

2 Viết phương trình tổng của phản ứng giữa BH2 và H2O2

Các giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của H2O (l) và H2O2 (l) lần lượt là-285.83 kJ/mol và -187.78 kJ/mol

3 Xác định enthalpy chuẩn của các phản ứng (2), (3)

Thế chuẩn của cặp BH2/B so với thế hydrogen chuẩn là 0.7175 V ở 0 oC

và 0.6805 V ở 50 oC

4 Xác định enthalpy tạo thành chuẩn của phản ứng (1) và phản ứng

tổng mà bạn đã viết ở ý 2

5 Thành phần của hỗn hợp trong buồng phản ứng là 10 % BH2 và 25 %

H2O2 về khối lượng Giả sử rằng các tính chất nhiệt động lý học củanhững chất phản ứng ở trên là gần giống với nước (nhiệt dung riêngbằng 4.2 J/độ.gam ở phase lỏng và 2 J/độ.gam ở phase hơi; nhiệthoá hơi riêng là 2256 J/gam), hãy xác định hỗn hợp cuối thuộc loạinào trong Phiếu trả lời [Bỏ qua]

Trang 20

Bài 9

Phản ứng oxy hóa và sự đốt cháy các hợp chất hữu cơ đều là các phảnứng tỏa nhiệt Nhiệt phản ứng do sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạchnhư dầu hỏ, than và khí tự nhiên là những nguồn cung cấp năng lượngchính

a) Tính nhiệt phản ứng, ΔH°, khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol metan ở

298 K trong không khí, sử dụng các giá trị nhiệt sinh chuẩn củametan, cacbon dioxit và nước

Metan ：-74.82 kJ mol-1

Cacbon dioxit ：-393.5 kJ mol-1

Nước ：-285.8 kJ mol-1

b) Trong phòng thí nghiệm, cacbon dioxit có thể được điều chế từ

canxi cacbonat là axit clohyrtic Tính thể tích, V (mL), của khí

cacbon dioxit sinh ra từ 10.0 g canxi cacbonat và 50.0 mL dung dịchaxit clohydric 1.00 mol L-1 ở 298 K và 1013 hPa, cho rằng phản ứngxảy ra hoàn toàn và cacbon dioxit là khí lý tưởng

Trang 21

Bài 10

Cho các phương trình nhiệt hóa học sau đây:

(1) 2 ClO2 (k) + O3 (k) → Cl2O7 (k) ΔH0 = - 75,7 kJ(2) O3 (k) → O 2 (k) + O (k) ΔH0 = 106,7 kJ(3) 2 ClO3 (k) + O(k) → Cl2O7 (k) ΔH0 = - 278 kJ(4) O2 (k) → 2 O (k) ΔH0 = 498,3 kJ.k: kí hiệu chất khí

Hãy xác định nhiệt của phản ứng sau:

(5) ClO2 (k) + O(k) → ClO3 (k)

Trang 22

Khí lò than có thể được sử dụng làm nhiên liệu :

Trang 23

∆SOLHo(C12H22O11) = 5.0 kJ/mol; ∆SOLHo(C2H6O) = -10 kJ/mol;

Sự lên men kị khí của saccarozơ trong dung dịch sinh ra etanol và cacbondioxit

1) Viết và cân bằng các phản ứng của tất cả các quá trình đã nêu Sử

dụng các ký hiệu (r), (l), (aq) cho „rắn“, „lỏng“, „dung dịch nước"

2) Tính entanpy phản ứng chuẩn cho quá trình lên men này

Trang 24

Trang 25

Bài 14

Năng lượng liên kết là một giá trị năng lượng cần để phá vỡ 1 mol liênkết nhất định Trong câu hỏi này, và trong nhiều tính toán khác, nănglượng liên kết được hiểu là năng lượng trung bình để phá vỡ tất cả cácliên kết cùng loại trong một phân tử Trong tính toán nhiệt hóa học liênquan đến các phản ứng hữu cơ thường sử dụng một phép xấp xỉ, theo

đó năng lượng liên kết C-X của một số loại nguyên tử X trong các hợpchất khác nhau vẫn giống nhau Phép xấp xỉ này thường được hiệuchỉnh Tuy nhiên, phép xấp xỉ này không phải lúc nào cũng áp dụng đượcvới các hợp chất vô cơ Ví dụ, năng lượng liên kết Cl-F trong các hợp chấtchlorine fluoride là rất khác nhau: trong ClF3 cao hơn 14.2 % so với ClF5nhưng thấp hơn 31.2 % so với ClF

1 Dựa vào hiệu ứng nhiệt của các phản ứng, hãy xác định năng lượng

liên kết Cl-F trung bình của 3 hợp chất chlorine fluoride và phân tử F2ClF + F2 → ClF3 Q1 = 108.58 kJ/mol

ClF + 2F2 → ClF5 Q2 = 188.20 kJ/mol

2 Biết năng lượng liên kết trong phân tử chlorine là 242.6 kJ/mol Hãy

xác định sinh nhiệt các của chlorine fluoride

Trong phản ứng của fluorine với chlorine theo các tỉ lệ khác nhau, có thểtạo thành các chlorine fluoride khác nhau hoặc hỗn hợp chất Hiệu suấtcủa mỗi fluoride chịu ảnh hưởng bởi các đặc trưng nhiệt động học

3 Hiệu suất cân bằng của chlorine fluoride nào sẽ tăng so với hiệu suất

cân bằng của các sản phẩm khác khi nhiệt độ phản ứng tăng? Giảithích

Cho một hỗn hợp chlorine và fluorine vào bình dung tích 0.750 L, ở nhiệt

độ 300 K và áp suất 1.502 bar Đun nóng hỗn hợp, chiếu ánh sáng rồi sau

đó làm lạnh về 280 K Áp suất và khối lượng riêng sau cùng ở 280 K là0.788 bar và 2.781 gam/L Biết rằng ở giai đoạn cuối cùng, có 4 hợp chấtkhí trong bình và 1 trong số đó là đơn chất

4 Xác định đơn chất trong bình sau thí nghiệm, biết lượng ClF5 thuđược ít hơn so với các chlorine fluoride khác Xác định số mol đơnchất trước và sau thí nghiệm

5 Xác định số mol các hợp chất trong hỗn hợp cuối, biết rằng lượng

nhiệt giải phóng trong quá trình hóa học là 3.144 kJ

Trang 27

Bài 15

Khi 1 mol cặp ion ở thể khí tiến lại gần nhau từ khoảng cách xa vô cùng

sẽ sinh ra năng lượng Năng lượng sinh ra ở 0 K dưới áp suất thườngđược định nghĩa là năng lượng mạng tinh thể Năng lượng mạng tinh thểcủa một tinh thể ion được tính gián tiếp bằng cách áp dụng định luậnHess cho nhiệt sinh của tinh thể đó

Xây dựng chu trình Born-Haber của kali clorua (KCl) và tính năng lượngmạng lưới dựa trên các giá trị nhiệt động học sau

Nhiệt sinh của KCl (r) - 437 kJ mol-1

Nhiệt thăng hoa của K (r) 89 kJ mol-1

Năng lượng ion hóa của K (k) 419 kJ mol-1

Năng lượng phân ly của Cl2 (k) 242 kJ mol-1

Ái lực electron của Cl (k) - 349 kJ mol-1

Trang 28

Bài 16

Trong việc chuẩn bị bữa ăn bằng cách sử dụng nước sôi, nó chỉ có thếnóng lên đến 100oC nếu bình đựng nước mở nắp Có một tình trạnghoàn toàn khác biệt khi sử dụng nồi áp suất, có nghĩa là bình đựng nướcđược đóng kín

Tính áp suất ít nhất một nồi áp suất phải có nếu muốn nấu thịt bò trongnước ở 130oC

To

s(H2O) tại 1.013 bar: 100°C; ΔHV(H2O) = 40.7 kJ‧mol-1

Trang 29

Bài 17

Đốt cháy hoàn toàn 3,6 gam hợp chất hữu cơ X ở thể khí bằng một

lượng dư oxi trong một bom nhiệt lượng kế Ban đầu, nhiệt lượng kếchứa 600 gam nước, ở 25oC Sau phản ứng, nhiệt độ của hệ là 28oC; có

11 gam CO2(k) và 5,4 gam H2O(l) được tạo thành Giả thiết, lượng nhiệt

bị hấp thụ bởi oxi dư và các sản phẩm phản ứng là không đáng kể

1 Xác định công thức phân tử của X.

2 Xác định nhiệt dung của nhiệt lượng kế (không bao gồm 600 gam

nước)

3 Xác định nhiệt sinh tiêu chuẩn

0 ,298

U

∆

=-2070,00 kJ mol∙ -1

Trang 30

Một trợ lý phòng nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm với hai mẫu chấttrên(đánh dấu là A, B) và tiến hành đo lường, viết kết quả rồi bỏ đi ăntrưa Tuy nhiên, thật đáng tiếc là khi quay lại anh đã quên mất đâu làchất A, đâu là chất B Nhật kí thí nghiệm có lưu lại các kết quả sau: Hợp chất Khối lượng đầu m/g Nhiệt lượng đo được Q/J

Cho biết thêm: ΔfH° (H2O(l)) = - 285.8 kJ mol-1 và ΔfH° (CO2(g)) = - 393.5 kJmol-1

1) Viết phương trình phản ứng đốt cháy.

2) Tính enthalpy cháy tiêu chuẩn ΔcHo của A, B

3) Tính enthalpy tạo thành chuẩn ΔfHo của A, B Trong trường hợp bạnkhông tính ra kết quả ở ý 2, hãy sử dụng các giá trị ΔcH°A = -4581

ΔcH°B= -4431 kJ.mol-1

4) Theo các giá trị enthalpy sinh chuẩn, một trong các chất sẽ bền hơn,

xét về khả năng phân li thành nguyên tố Chất đó là A hay B?

5) Theo quy tắc Hückel, một trong các chất có tính thơm Hãy viết số

electron π cho các hệ vòng và xác định hợp chất nào có tính thơm:

Trang 31

phase khí luôn đóng góp một đại lượng nhất định (ΔcHI°) vào nhiệt cháy

chung của chất đó không phụ thuộc vào môi trường hóa học xung quanh

liên kết hay nhóm nguyên tử đó Đối với mỗi chất thì nhiệt hóa hơi hay

thăng hoa bằng tổng các thành phần gia tăng ấy

Giải thích rõ nghĩa hơn: chẳng hạn nhiệt cháy của nhóm methylen là

157,4 kJ Tức nhóm methylen trong propane hay trong ethanol đều góp

157,4 kJ vào nhiệt cháy, không phụ thuộc cấu trúc phân tử

Ví dụ như tính toán cho hệ cycloctatetraene:

Nhiệt hóa hơi: ΔvapH°(styrene) = 43.5 kJ mol-1

7) Tính nhiệt cháy chuẩn của styrene dựa vào phương pháp gia tăng.

Theo một giả định rất cơ bản (luôn đóng góp một lượng như nhau bất kể

được bao quanh bởi nguyên tử hay nhóm nguyên tử nào) thì hệ thơm

hoàn toàn loại bỏ các yếu tố làm bền hóa như cộng hưởng hay sự bất

định xứ, vốn rất quan trọng đối với các hợp chất thơm

8) Với mỗi hydrocarbon, hãy tính năng lượng bền hóa dựa trên việc so

sánh nhiệt cháy tính được và giá trị đo được từ thực nghiệm

Trang 32

Bài 19

Khi nghiên cứu phản ứng của acid đa chức A (C < 10 M) và chất kiềm F

trong môi trường nước (I) và nước-alcohol (II) bằng phép đo nhiệtlượng, thu được các mối liên hệ (đồ thị) tương tự Q = f(Z), trong đó Q là

nhiệt lượng theo kJ/mol A, Z = v(F)/v(A) [tỉ lệ mol] Các mối liên hệ này

được biểu diễn theo 3 phần tuyến tính với sự tăng Z: I (QI-1 = 144·Z; QI-2 =

10 + 124·Z; QI-3 = 110 + 24·Z) và II (QII-1 = 136·Z; QII-2 = 6 + 124·Z; QII-3 = 98 +32·Z) Nếu đặt một điện trở vào dung dịch (R = 100 Ω) và một dòng điện0.1 A trong thời gian τ = 127.5 s thì chỉ có nhiệt độ tăng lên một khoảng

∆t = 0.03 ° C Các dữ liệu tham chiếu ∆Hf0, kJ/mol là -1288 (A); -985 (F); -543 (cation của chất kiềm F); -1277 (anion không có hydrogen của A);

-286 (H2O) Q = I2 · R · τ Giả sử rằng Hf0 trong môi trường I và II giống

nhau, và trong môi trường II thì A và F gần như không phân li.

1) Vẽ các đồ thị biểu diễn mối liên hệ ∆H0 = f(Z) trong khoảng Z = 0 - 1.5.Giải thích sự khác nhau về các giá trị ∆H0 trong các môi trường khácnhau, nếu độ tan của các muối trong môi trường I SI > 10-3 M, còntrong môi trường II SII << 10-3 M

2) Xác định A và F biết khi trung hòa hoàn toàn 100.0 mL dung dịch A 0.1200 M bằng 0.4445 gram F thì thu được 0.6203 gram kết tủa muối

B

3) Xác định các muối G và D, có thể được tạo thành cùng với B, biết

MG : MD = 1.465 : 1.000, và khi nung nóng chúng thì đều tạo thành

H2O Viết các phương trình phản ứng xảy ra khi nung nóng

4) Xác định giá trị của Z mà tại đó các chất riêng biệt được tạo thành.Viết các phương trình phản ứng ở dạng ion

5) Tính giá trị ∆Hf0 của các muối B, G, D và các anion của acid A

6) TÍnh thành phần của kết tủa (% mol) trong môi trường II nếu trongphản ứng của 10-4 mol A thì nhiệt độ tăng 0.02 oC

7) Trong đồ thị ở ý 1, xác định (bằng các đường chấm) mối liên hệ ∆H0 =f(Z) với Z > 1.5 nếu không có chất nào khác được tạo thà

Trang 34

Bài 20

Các nguyên liệu thô hydrocarbon, cụ thể là khí thiên nhiên, vẫn đóng vaitrò then chốt trong việc cung cấp năng lượng cho con người.Turkmenistan là một trong những nhà xuất khẩu khí lớn nhất trên thếgiới Việc sử dụng các hydrocarbon để thu được công hữu ích diễn ratheo 2 cách: 1) Đốt cháy nhiên liệu trong các động cơ nhiệt (TM); 2) oxidhóa điện hóa trong các pin nhiên liệu (TW) để chuyển hóa năng củanhiên liệu năng điện năng với hiệu suất cao

1) Viết phương trình phản ứng đốt cháy methane trong

oxygen dư

2) Trong TW, như biểu diễn trong hình, oxygen đóng vai trò

chất oxid hóa, và methane là nhiên liệu Chất điện giải oxiderắn cung cấp khả năng dẫn ion trong vùng không gian liêncực (giữa các điện cực.)

a) Viết phương trình bán phản ứng của sự khử oxygen ở cathode b) Viết phương trình phản ứng giữa các ion H+ và O2- ở anode c) Viết phương trình bán phản ứng oxid hóa methane ở anode

3) Tính suất điện động chuẩn (Eo) của phản ứng oxid hóamethane trong TW:

a) Có bao nhiêu electron tham gia vào phản ứng oxid hóa 1 phân tử

CH4?

b) Xác định E0(900 oC) theo giá trị ∆cG0(900 oC)

4) Tính hiệu suất của một động cơ nhiệt TM lí tưởng và pin

nhiên liệu TW lí tưởng (không có sự tiêu tán năng lượng, cụthể là tiêu tán không thể đảo ngược ở dạng nhiệt.)

a) Tính hiệu suất η(TM) của quá trình đốt cháy methane trongbuồng cháy của TM ở 900 oC và tx = 500 oC

Trang 35

b) Đưa ra công thức và tính hiệu quả η(TW) của quá trình oxid hóamethane trong TW ở 900 oC

- Định lí Carnot (cho động cơ nhiệt lí tưởng): η = 1 - Tx / Tn, trong đó Tx

là nhiệt độ nguồn lạnh, Tn là nhiệt độ nguồn nóng (K)

- Công hữu ích cực đại được tạo ra bởi phản ứng hóa học là Wmax =-∆rG = nFE = -∆rH + T∆rS, trong đó n là số electron tham gia phản ứng,

F = 96500 Coulomb/mol (hằng số Faraday), E là suất điện động củaphản ứng, ∆rG là biến thiên năng lượng Gibbs

- Mối liên hệ giữa biến thiên nội năng và biến thiên enthalpy trongmột quá trình bất kì là: ∆rU = ∆rH - P∆V = ∆rH - ∆νRT, trong đó ∆ν làbiến thiên tổng số mol khí trong phản ứng

Trang 36

Chuyên đề 21: Entropy và năng lượng tự do

Bài 1

6.0 mol hydro được đun nóng đẳng tích Khí được nén lại từ áp suất 100kPa ở 0.0°C đến áp suất gấp 2,5 lần Nhiệt dung đẳng tích của hydro là CV

= 20.56 J/mol.K

1 Nhiệt độ đạt được sau khi nén?

2 Tính biến thiên entropy trong qúa trình này

3 Tính nhiệt dung trong qúa trình đẳng áp

1.0 L argon được làm lạnh đẳng áp từ điều kiện thường xuống nhiệt độthấp hơn 50 K so với ban đầu

Một biểu thức gần đúng khá tốt đối với khí đơn nguyên tử: CV = (3/2)RJ/mol.K

4 Lượng nhiệt khí đó hấp thụ là bao nhiêu ?

5 Tính thể tích cuối cùng sau khi làm lạnh.

6 Tính biến thiên nội năng của hệ

Trang 37

Bài 2

Xét quá trình giãn nở đoạn nhiệt bất thuận nghịch 2 mol khí lý tưởngđơn nguyên tử dưới áp suất bên ngoài Pngoài = 1 bar Ở trạng thái đầu, khíchiếm thể tích VA = 5L dưới áp suất PA = 10 bar Ở trạng thái cuối, áp suấtcủa khí là PC = 1 bar

a Tính nhiệt độ của hệ ở trạng thái đầu

b Tính nhiệt độ và thể tích của hệ ở trạng thái cuối

c Tính biến thiên entropy của hệ trong quá trình trên

Cho biết: Đối với khí lý tưởng đơn nguyên tử CV (J.K-1.mol-1) =

3

2R

Trang 38

Bài 3

Cryptand là nhóm các phối tử vòng lớn, có khả năng tạo thành nhữngphức chất bền với các cation kim loại kiềm và kiềm thổ Tính chất nàyđược ứng dụng rộng rãi trong hoá phân tích Dưới đây là các cryptandđược dùng để xác định ion Na+ trong dung dịch Phức chất cryptand-kimloại thuộc nhóm phức vòng càng, nghĩa là các phức chất mà kim loại cóphối trí với nhiều nhóm nhường electorn thuộc cùng một phối tử Hệquả là, các phức như vậy thường bền hơn các phức có cấu trúc tương tựcủa các phức đơn càng (sự làm bền này gọi là “hiệu ứng vòng càng”)

1) Hãy chọn ra yếu tố nào sau đây tăng cường hiệu ứng vòng càng, yếu

tố nào hạn chế và yếu tố nào không tác động:

kế (tổng nhiệt dung riêng của tất cả các thành phần trong nhiệt lượngkế) là w = 1560 cal/oC Nhiệt lượng kế được đậy kín

2) Viết phương trình phản ứng, kí hiệu cryptand là Crypt

Trang 39

3) Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ nhiệt lượng kế t (oC)vào thời gian (phút) Tìm giá trị to (biến thiên nhiệt độ nhiệt lượng kếgây ra bởi phản ứng hoá học) Thể hiện tính toán trên đồ thị Tínhnhiệt phản ứng Qr

4) Chất lỏng nhiệt kế nào (10 mL nước; 2 L nước; 15 L nước; 20 mL

xăng; 2 L xăng; 15 L xăng) là phù hợp nhất để dùng cho thí nghiệmnày

5) Hàm nhiệt động nào (rH, rU, rG hay rS) được xem như là nhiệt phảnứng trong những điều kiện đã cho

Trong các phép đo chính xác, sự giảm nhiệt độ của nhiệt lượng kế xảy rabởi sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài cũng được xét đến Hiện

tượng này được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

dt k t

d = − − ∞τ

Trong đó t là nhiệt độ, là thời gian, k là hằng số, là nhiệt độ cuối củachất lỏng nhiệt lượng kế

6) Giải phương trình này với điều kiện đầu t(0) = t0 và tìm sự phụ thuộct()

7) Sử dụng dữ liệu của các điểm 10 và 14, tìm Sử dụng giá trị k = 0.11

phút -1

Đặt W là tổng số trạng thái vi mô tương ứng với trạng thái vĩ mô đã cho(nghĩa là trạng thái với V, T, N đã cho) Entropy tuyệt đối có thể được xácđịnh bởi công thức Boltzmann: S = k · lnW, trong đó k là hằng sốBoltzmann (k = R/NA) = 1.38 · 10-23 J/K)

8) Hợp chất lưỡng nguyên tử AB kết tinh hoá thành chuỗi một chiều vô

hạn Tính entropy mol của tinh thể này ở 0 K

9) Với phối tử nào ở trên thì sự tạo thành phức chất với Na+sẽ dẫn tớibiến thiên entropy lớn nhất và nhỏ nhất (so với giá trị tuyệt đối)? Xácđịnh dấu của biến thiên entropy trong mỗi trường hợp

Trang 40

Bài 4

Tính biến thiên entropy (∆S) trong quá trình đông đặc của benzen dưới

áp suất 1 atm đối với hai trường hợp sau:

a Đông đặc ở nhiệt độ +5oC

b Đông đặc ở nhiệt độ -5oC

Cho nhiệt độ đông đặc của benzen là +5oC, entanpy nóng chảy ∆Hnc =9,916 kJ.mol-1, nhiệt dung Cp (benzen lỏng) = 126,8 J.mol-1.K-1, Cp (benzenrắn) = 122,6 J.mol-1.K-1

Trong mỗi trường hợp hãy sử dụng biến thiên entropy (với độ chính xác

2 số sau dấu phẩy) làm tiêu chuẩn để xét chiều của quá trình và điềukiện cân bằng của hệ

Tiêu đề	50 Chuyên Đề Olympiad Hóa Học
Trường học	Tạp chí KEM
Chuyên ngành	Hóa học
Thể loại	tuyển tập
Năm xuất bản	2018-2019

Định dạng
Số trang	243
Dung lượng	10,73 MB