Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo sát các quá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác định khả năng, hướng và mức độ xảy ra
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA
TRƯỜNG THPT NHƯ XUÂN
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
GIÚP HỌC SINH HỌC TỐT CHƯƠNG
NĂNG LƯỢNG HÓA HỌC 10
\
Người thực hiện: Nguyễn Thị Thúy Chức vụ: Giáo viên
SKKN thuộc môn: Hóa học
THANH HOÁ NĂM 2023
Trang 2MỤC LỤC Trang
TÀI LIỆU THAM KHẢO
MỤC LỤC
Trang 3A PHẦN MỞ ĐẦU
1 Lí do chọn đề tài
Như chúng ta đã biết năm học 2022-2023 thì chương trình sách giáo khoa lớp 10 mới được đưa vào thực hiện trên cả nước Đây là bước đột phá trong chương trình phổ thông mới nói chung cũng như môn hóa học nói riêng Chương trình hóa học mới lớp 10 đã có sự thay đổi mạnh mẽ về nội dung cũng như hình thức, nhiều vấn đề mới được đưa vào, trong đó có một số chương kiến
thức khá mới và khó đối với học sinh THPT Điển hình như chương 5 sách giáo
khoa lớp 10 Năng lượng hóa học đây là chương mà phần lý thuyết và bài tập
khá khó về nhiệt động hóa học Nhiệt động hóa học là môn nghiên cứu năng
lượng và chuyển hóa năng lượng mà trước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển hóa giữa nhiệt với công và các dạng năng lượng khác
Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo sát các quá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học…Nắm vững các kiến thức về nhiệt động hóa học là rất cần thiết và quan trọng
Trong quá trình dạy và học môn Hóa học 10, khi nắm vững lý thuyết về nhiệt động hóa học các em sẽ dễ dàng hơn trong việc giải thích được tại sao phản ứng này lại xảy ra còn phản ứng kia lại không, tại sao có phản ứng lại tỏa nhiệt nhưng có những phản ứng lại thu nhiệt… Thông qua việc nắm kiến thức
về nhiệt phản ứng học sinh rèn luyện tính tích cực, trí thông minh, tự lập, sáng tạo, bồi dưỡng hứng thú trong học tập môn Hóa học để cho môn học không còn khô khan và cứng nhắc nữa
Xuất phát từ suy nghĩ muốn giúp học sinh không gặp phải khó khăn và nhanh chóng tìm được niềm đam mê, hứng thú với môn hóa trong quá trình học
tập Chính vì vậy tôi chọn đề tài: “GIÚP HỌC SINH HỌC TỐT CHƯƠNG
NĂNG LƯỢNG HÓA HỌC 10 ”.
2 Mục đích nghiên cứu
- Các hóa học luôn kèm theo sự biến đổi về năng lượng (chủ yếu dưới dạng nhiệt) cho nên việc nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học sẽ có một ý nghĩa nhất định đối với hóa học
- Xác định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học
- Giúp học sinh tính toán được nhiệt của phản ứng qua đó xác định phản ứng đó là thu hay tỏa nhiệt
3 Đối tượng nghiên cứu
- Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hoá học
- Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess
- Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ
4 Phương pháp nghiên cứu
Xử lí thông tin: giáo viên hướng dẫn học sinh căn cứ vào thông tin bài toán
để phân tích và đưa ra hướng giải quyết bài toán bằng phương pháp hợp lý nhất
Trang 4B PHẦN NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN
1 Cơ sở lí luận của vấn đề:
Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo sát các quá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học…Nắm vững các kiến thức về nhiệt động hóa học là rất cần thiết và quan trọng trong ứng dụng thực tiễn, trên cơ sở đó tôi viết sáng kiến kinh nghiệm về chương năng lượng hóa học
2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm:
a) Thuận lợi:
- Được sự quan tâm của Ban giám hiệu nhà trường
- Đội ngũ giáo viên môn Hoá đều trẻ, nhiệt tình trong công việc
- Đa số học sinh có ý thức học tập tốt
b) Khó khăn:
- Bản thân kinh nghiệm giảng dạy cũng như quản lý học sinh còn nhiều hạn chế
- Một số học sinh còn rất mơ hồ trong việc nắm bắt các kiến thức, việc nắm bắt kiến thức bộ môn hóa học của các em chỉ ở mức độ thấp đó là nắm các khái niệm, định luật… một cách máy móc Học sinh chưa biết và vận dụng… chưa đi sâu vào quá trình giải thích, giải quyết các vấn đề nên các em hay nhàm chán
- Môn hoá học trong trường phổ thông là một trong môn học khó, nếu không có những bài giảng và phương pháp hợp lý phù hợp với thế hệ học trò dễ làm cho học sinh thụ động trong việc tiếp thu, cảm nhận
- Để xem Học sinh có thích học môn Hoá hay không, Tôi đặt ra câu hỏi:
Em có thích học môn Hoá không?
SL học sinh
Điểm dưới TB Điểm TB Điểm khá Điểm giỏi
3 Các giải pháp và tổ chức thực hiện:
Trong dạy và học Hoá học, việc đưa các câu hỏi thực tiễn vào trong giờ học
sẽ giúp hoá học gần gũi với học sinh, tạo hứng thú đồng thời giúp các em hiểu biết hơn về cuộc sống Để thực hiện được, người giáo viên cần nghiên cứu kỹ bài giảng, xác định được kiến thức trọng tâm, tìm hiểu, tham khảo các vấn đề thực tế liên quan phù hợp với từng người học Đôi lúc cần quan tâm đến tính cách
sở thích của đối tượng tiếp thu, hình thành giáo án theo hướng phát huy tính tích cực chủ động của học sinh, phải mang tính hợp lý và hài hoà; đôi lúc có khôi hài nhưng sâu sắc, vẫn đảm nhiệm được mục đích học môn hoá học Tuy nhiên, thời
gian giành cho vấn đề này là không nhiều, “nó như thứ gia vị trong đời sống
không thể thay cho thức ăn nhưng thiếu nó thì kém đi hiệu quả ăn uống”.
4 LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Lớp học sinhSL Rất thích học Bình thường
Không thích học
Trang 54.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
thu vào của phản ứng trong điều kiện áp suất không đổi
- Kí hiệu: ΔrH; đơn vị: kJ hoặc kcal (1 J = 0,239 cal)
4.1.2 Biến thiên enthalpy chuẩn
- Điều kiện chuẩn (đkc): Nhiệt độ: 25oC (hay 298K), áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/L (đối với chất tan trong dung dịch)
- Biến thiên enthalpy chuẩn ( o
r H 298
) là nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào của phản ứng ở điều kiện chuẩn
- Phương trình nhiệt hóa học là phương trình hóa học kèm theo trạng thái các chất và nhiệt phản ứng VD: CH4(g) + 2O2(g) → CO2 (g) + 2H2O(l) r Ho298= -890,0 kJ Phương trình nhiệt hóa học cho biết: chất phản ứng, sản phẩm, tỉ lệ phản ứng, điều kiện phản ứng, trạng thái các chất và nhiệt phản ứng
4.1.3 Enthalpy tạo thành (nhiệt tạo thành)
- Enthalpy tạo thành hay nhiệt tạo thành (ΔfH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững, ở một điều kiện xác định
- Nếu phản ứng thực hiện ở điều kiện chuẩn được gọi là enthalpy tạo thành chuẩn ( o
f H 298
+ o
f H 298
của các đơn chất bền vững bằng 0
+ o
f H 298
< 0 ⇒ chất bền hơn về mặt năng lượng so với các đơn chất bền tạo nên nó
+ o
f H 298
> 0 ⇒ chất kém bền hơn về mặt năng lượng so với các đơn chất bền tạo nên nó
4.1.4 Ý nghĩa của biến thiến enthalpy
o
r H 298
> 0: Phản ứng thu nhiệt; o
r H 298
< 0: Phản ứng tỏa nhiệt
- Giá trị tuyệt đối của o
r H 298
càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào càng nhiều
- Các phản ứng tỏa nhiệt thường diễn ra thuận lợi hơn phản ứng thu nhiệt
4.1.5 Cách tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học
Dạng 1 : Tính biến thiên enthapy theo anthapy tạo thành (nhiệt tạo thành) hoặc nhiệt đốt cháy.
- Enthalpy tạo thành hay nhiệt tạo thành (ΔfH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững, ở một điều kiện xác định
Trang 6- Biến thiên enthalpy của phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các chất sản phẩm (sp) trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu (cđ)
- Công thức tính biến thiên enthalpy ở điều kiện chuẩn:
o
r H 298
= Δ o Δ o
f H 298(sp) - f H 298(c®)
- Xét phản ứng: aA + bB → cC + dD
r H 298 [c H (C) d H (D)] [a H (A) b H (B)] f 298 f 298 f 298 f 298
- Từ biến thiên enthalpy chuẩn ta cũng có thể tính được enthalpy tạo thành chuẩn của một chất khi biết enthalpy tạo thành chuẩn của các chất còn lại trong phản ứng
Enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất bền vững bằng 0
Kiểu 1 Tính enthalpy thông qua số liệu chênh lệch
Bước 1 Xác định enthalpy của phản ứng
Dựa vào phương trình xác định enthalpy của phản ứng và số mol các chất tham gia hay tạo ra
Bước 2 Tính toán tỷ lệ
Nếu không cho H%
+ tính số mol chất mà đề cho (chuyển từ khối lượng, thể tích) dùng quy tắc tam suất để tính lượng nhiệt theo yêu cầu
- Nếu cho H% : tính lượng nhiệt theo yêu cầu rồi đưa hiệu suất vào
- Nếu cho bài toán ngược, cho lượng nhiệt tính khối lượng, thể tích chất: +dựa vào lượng nhiệt đề cho và enthalpy phản ứng số mol chất khối lượng, thể tích
Kiểu 2: Tính enthalpy thông qua nhiệt tạo thành chuẩn, nhiệt đốt cháy chuẫn.
Bước 1 Xác định enthalpy của phản ứng
Dựa vào giá trị nhiệt tạo thành các chất mà dùng quy tắc:
r H 298 f H 298 (sp) f H 298 (c ) đ
Bước 2 Giải quết bài toán
- Nếu không cho H%
+ tính số mol chất mà đề cho (chuyển từ khối lượng, thể tích) dùng quy tắc tam suất để tính lượng nhiệt theo yêu cầu
- Nếu cho H% : tính lượng nhiệt theo yêu cầu rồi đưa hiệu suất vào
Dạng 2: Tính biến thiên enthalpy theo năng lượng liên kết
- Năng lượng liên kết (Eb) là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học trong phân tử thành nguyên tử ở trạng thái khí
- Biến thiên enthalpy của phản ứng bằng tổng năng lượng liên kết của các chất đầu (cđ) trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất sản phẩm (sp)
- Công thức tính biến thiên enthalpy ở điều kiện chuẩn: o
r H 298
= E b(c®) -E b(sp )
- Xét phản ứng: aA + bB → cC + dD
Ta có: o
r H 298 [a.E (A) b.E (B)] [c.E (C) d.E (D)] b b b b
- Chỉ áp dụng cho phản ứng mà tất cả các chất đều chỉ chứa liên kết cộng hóa trị ở trạng thái khí
4.2 MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN
Trang 7BÀI 1. Đun nóng hai ống nghiệm: Ống (1) chứa bột potassium chlorate (KClO3), ống (2) chứa bột sulfur (S), xảy ra các phản ứng:
(1) 3KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)
(2) S(s) + O2(g) → SO2(g)
Khi ngừng đun, ở ống (1) phản ứng dừng lại, ở ống (2) phản ứng vẫn xảy
ra Hãy cho biết phản ứng nào là phản ứng tỏa nhiệt? phản ứng nào là phản ứng thu nhiệt?
Phân tích
Phản ứng (1) là phản ứng thu nhiệt vì cần cung cấp nhiệt liên tục phản ứng mới xảy ra
Phản ứng phản ứng (2) là phản ứng tỏa nhiệt vì khi phản ứng đã xảy ra không cần cung cấp nhiệt
Bài 2. Các quá trình sau thu nhiệt hay tỏa nhiệt? Giải thích ngắn gọn?
(a) Đốt một ngọn nến
(b) Nước đóng băng
(c) Hòa tan muối ăn vào nước thấy cốc nước trở nên mát
(d) Luộc chín quả trứng
(e) Hòa tan một ít bột giặt trong tay với nước, thấy tay ấm
(g) Muối kết tinh từ nước biển ở các ruộng muối
(h) Giọt nước đọng lại trên lá cây vào ban đêm
(i) Đổ mồ hôi sau khi chạy bộ
Phân tích
(a) Phản ứng tỏa nhiệt vì nến (parafin) bị đốt cháy đã giải phóng năng lượng, cung cấp cho việc phát sáng và tỏa nhiệt
(b) Phản ứng tỏa nhiệt vì nước hạ nhiệt độ (hay giải phóng nhiệt) để tạo khối băng
(c) Phản ứng thu nhiệt vì muối hấp thu nhiệt từ nước để hòa tan, nước giảm nhiệt độ và cốc nước trở nên mát
(d) Phản ứng thu nhiệt vì trứng hấp thu nhiệt khiến các phân tử protein kết dính với nhau làm trứng chín
(e) Phản ứng tỏa nhiệt Vì khi hòa tan bột giặt trong tay với ít nước, bột giặt giải phóng nhiệt khi hòa tan, tạo phản ứng giúp loại bỏ nhanh các vết bẩn trên áo quần (g) Phản ứng thu nhiệt Nước biển dưới ánh nắng mặt trời sẽ hấp thụ nhiệt
và bay hơi, tạo thành nước biển kết tinh
(h) Phản ứng tỏa nhiệt Ban đêm, hơi nước trong không khí hạ nhiệt để ngưng tụ, tạo thành các giọt đọng lại trên lá cây
(i) Phản ứng thu nhiệt Chạy bộ làm nhiệt độ cơ thể tăng Khi đổ mồ hôi, một phần nước hấp thụ nhiệt và bay hơi Sự bay hơi của mồ hôi giúp làm mát cơ thể và duy trì thân nhiệt ổn định
(1) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) o
r H 298 176, 0 kJ
(2) C2H4(g) + H2(g) C2H6(g) o
r H 298 137, 0 kJ
(3) Fe2O3(s) + 2Al(s) Al2O3(s) + 2Fe(s) o
r H 298 851, 5 kJ
Trang 8(4) 2 2
1
2
r H 298 851, 5 kJ
(5) C(graphite, s) + O2(g) CO2(g) o
r H 298 393,5 kJ
(a) Trong các phản ứng trên, phản ứng nào toả nhiệt, phản ứng nào thu nhiệt?
(b) Trong phương trình (2) và (6) thì enthalpy chuẩn của phản ứng có phải enthalpy tạo thành chuẩn của C2H6 và CO2 không? Vì sao?
(c) Vẽ sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng (1) và (2)
Phân tích
(a) Phản ứng (1), (5): thu nhiệt do o
r H 298
> 0 Phản ứng (2), (3), (4): toả nhiệt do o
r H 298
< 0 (b) Enthalpy chuẩn của phản ứng (2) không phải enthalpy tạo thành chuẩn của C2H6 do C2H6 trong phản ứng này không được tạo ra từ các đơn chất bền Enthalpy chuẩn của phản ứng (5) là enthalpy tạo thành chuẩn của CO2 do CO2 trong phản ứng này được tạo ra từ các đơn chất bền
(c) Sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng (1), (2)
BÀI 4 Biết phản ứng đốt cháy khí carbon monoxide (CO) như sau:
1
2
r H 298 851, 5 kJ
(a) Ở điều kiện chuẩn, nếu đốt cháy hoàn toàn 2,479lít khí CO thì nhiệt lượng toả ra là bao nhiêu?
(b) Ở điều kiện chuẩn, nếu nhiệt lượng tỏa ra 1277,25 kJ thì thể tích khí CO
đã dùng là bao nhiêu lít?
Phân tích
Theo phương trình nhiệt hóa học ta có: Cứ đốt cháy 1 mol CO thì nhiệt lượng tỏa ra là 851,15 kJ
(a) Ta có: CO
2, 479
24, 79
(b) Ta có: nCO 1277,25 1,5mol
851,5 ⇒ Thể tích CO đã dùng ở đkc là
CO
V 1,5.24,79 37,185(L).
BÀI 5 Ở một lò nung vôi công nghiệp, cứ sản xuất được 1000 kg vôi sống
cần dùng m kg than đá (chứa 80% carbon) làm nhiên liệu cung cấp nhiệt
Trang 9Cho các phản ứng: t o
C(s) O (g) CO (g) H 393,5kJ / mol
CaCO (s) CaO(s) CO (s) H 178, 29 kJ Biết hiệu suất hấp thụ ở quá trình phân hủy đá vôi là 60% Tính giá trị của m
Phân tích
Để thu được 1000 kg CaO thì nhiệt lượng cần cung cấp (với hiệu suất là 60%)
3
3
1000.10 178, 29
5306, 25.10 kJ
56 0,6
Ta có: 3 m.10 0,83
12
BÀI 6 Một mẫu khí gas X chứa hỗn hợp propane và butane.
C H (g) 5O (g) 3CO (g) 4H O(l) H 2220 kJ
13
2
Đốt cháy hoàn toàn 12 gam mẫu khí gas X tỏa ra nhiệt lượng 597,6 kJ Xác định tỉ lệ số mol của propane và butane trong X
Phân tích
Gọi 3 8
4 10
C H
C H
44a 58b 12 (1)
12 gam X tỏa ra lượng nhiệt là: 2220.a 2874.b 597, 6 kJ (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình: 44a 58b 122220a 2874b 597,6 a 0,075b 0,15
a : b 1: 2.
(s)
CaO (s)
CO 2
(g)
C 2 H 6
(g)
Fe 2 O 3
(s)
Al 2 O 3
(s)
CO (g)
H 2 O (l)
o
f H 298
(kJ/mol) -1206,90 -635,10 -393,50 -84,00 -825,50 -1676,0 -110,50 -285,84
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của các phản ứng sau:
(1) CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) (2) Fe2O3(s) + 2Al(s) Al2O3(s) + 2Fe(s) (3) CO(g) + 1
2O2(g) CO2(g)
(4) C(graphite) + H2O(g) to CO(g) + H2(g)
(5) C2H6(g) + 7
2O2(g)
o
t
2CO2(g) + 3H2O(l)
Phân tích
rHo298(1) fHo298(CaO) fHo298(CO )2 fHo298(CaCO )3 635,1 ( 393,5) ( 1206, 9) 178,3 kJ.
e
r H 298 (2) f H 298 (Al O ) 2 3 2 f H 298 (Fe) f H 298 (F O ) 2 3 2 f H 298 (Al)
1676 2.0 ( 825, 5) 2.0 850, 5 kJ.
Trang 10 o o o o
r 298 f 298 2 f 298 f 298 2
H (3) H (CO ) H (CO) H (O ) 393, 5 ( 110, 5) 0 283 kJ.
r H 298 (4) f H 298 (CO) f H 298 (H ) 2 f H 298 (C) f H 298 (H O) 2
110, 5 0 0 ( 285,84) 175,34 kJ.
r 298 f 298 2 f 298 2 f 298 2 6 f 298 2
7
H (5) H (CO ) H (H O) H (C H ) H (O )
2 7
393, 5 ( 285,84) ( 84) 0 420 kJ.
2
BÀI 8 Cho năng lượng liên kết (Eb) của một số liên kết ở điều kiện chuẩn như sau:
Hãy tính biến thiên enthalpy chuẩn của các phản ứng sau và cho biết các phản ứng đó tỏa nhiệt hay thu nhiệt?
(1) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)
(2) N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
(3) N2H4(g) N2(g) + 2H2(g)
(4) 4HCl(g) + O2(g) t o
2Cl2(g) + 2H2O(g) (5) CH4(g) + Cl2(g) askt
(6) 2C2H6(g) + 8O2(g) t o
4CO2(g) + 6H2O(g)
Phân tích
o
r H 298
(1) = Eb(H - H) + Eb(Cl - Cl) – 2Eb(H - Cl) = 436 + 243 – 2.431 = -183 kJ o
r H 298
(2) = Eb(N≡N)+3.Eb(H - H) –2.3Eb(N – H)
= 946 + 3.436 –2.3.389 = -234 kJ
o
r H 298
(3) = Eb(N - N) + 4Eb(N - H) – Eb(N≡N) – 2Eb(H - H)
= 163 + 4.389 – 946 – 2.436 = -99 kJ
o
r H 298
(4) = 4Eb(H - Cl) + Eb(O = O) – 2Eb(Cl - Cl) – 2.2Eb(H - O)
= 4.431 + 498 – 2.243 – 4.464 = -120 kJ
o
r H 298
(5) = 4Eb(C - H) + Eb(Cl - Cl) – 3Eb(C - H) – Eb(C - Cl) – Eb(H - Cl) = 4.414 + 243 – 3.414 – 339 – 431 = -113 kJ
o
r H 298
(6) = 2Eb(C - C) + 2.6Eb(C - H) + 8Eb(O=O) – 4.2Eb(C=O) – 6.2Eb(H - O) = 2.347 + 2.6.414 + 8.498 – 4.2.799 – 6.2.464 = -2314 kJ
BÀI 9 Tính ∆r H° 298 cho phản ứng sau dựa theo năng lượng liên kết
CH4(g) + X2(g) → CH3X (g) +HX (g)
Với X=F, Cl, Br, I Liên hệ giữa mức độ phản ứng ( dựa theo ∆r H° 298 ) bởi tính phi kim ( F>Cl>Br>I) Tra các giá trị năng lượng liên kết ở Phục lục 2, trang 119
Phân tích
- Xét X là F:
CH4(g) + F2(g) → CH3F(g) + HF(g)
∆fH0
298 = 1x Eb (CH4) + 1x Eb (F2) – 1x Eb (HF) - 1x Eb (CH3F)