CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC Ho04

Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC. I. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản 1. Một số khái niệm. 1.1. Hệ và sự phân loại: 1.2. Thông số và trạng thái của hệ 1.3. Các biến đổi của một hệ: 2. Năng lượng 3. Nhiệt dung (C) 1. Trong trường hợp không có công W’ a. Quá trình đẳng tích b. Quá trình đẳng áp 2. Trong trường hợp có công W’ c. Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học a. Liên hệ CP và CV b. Định luật Gay luytxac – Jun: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào thể tích hoặc áp suất. Nên ta có: c. Biểu thức của nguyên lý thứ nhất với khí lý tưởng III. Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của khí lý tưởng VII. Sự phụ thuộc của hiệu nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - Định luật Kiecsop (Kirchhof) Chương II: PHÂN DẠNG BÀI TẬP NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC HOÁ HỌC. I. Dạng bài tập tính nhiệt, công, ∆U, ∆H của các quá trình 1. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học. 2. Dạng bài tập với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học. II. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào các giá trị năng lượng liên quan đến phản ứng III. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber và định luật Hess. IV. Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào thực nghiệm bom nhiệt lượng kế. V. Dạng bài tập về công có ích của phản ứng hoá học (liên quan đến pin điện). VI. Dạng bài tập tính nhiệt độ ngọn lửa trong phản ứng đốt cháy

MỤC LỤC

Trang

c Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học 13

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

III Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của khí

I Dạng bài tập tính nhiệt, công, ∆U, ∆H của các quá trình 22

1 Dạng bài tập với các quá trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học 22

2 Dạng bài tập với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học 24

II Dạng bài tập tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào các giá trị năng lượng liên

V Dạng bài tập về công có ích của phản ứng hoá học (liên quan đến pin điện) 45

VI Dạng bài tập tính nhiệt độ ngọn lửa trong phản ứng đốt cháy 52

2 Đề xuất ý kiến với việc dạy và học của chuyên đề nhiệt động lực học 54

PHẦN I - MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Như chúng ta đã biết hóa lý và hoá học lý thuyết là một ngành đã và đang pháttriển trên thế giới cũng như ở Việt Nam Việc nghiên cứu về nhiệt động lực học là mộthướng nghiên cứu có nhiều thử thách Nắm chắc các vấn đề lý thuyết cũng như bản chấtcủa các quá trình sẽ giúp việc nghiên cứu các vấn đề Hoá lý trở nên dễ dàng hơn

Nhiệt động lực học là một lĩnh vực rất quan trọng của Hoá lý, nó vừa cơ bản lạivừa khó và ngày càng xuất hiện nhiều trong các kì thi quốc gia cũng như quốc tế Vấn đềnhiệt động lực học trong hoá học phổ thông chưa được đề cập nhiều cả về lý thuyết cũngnhư hệ thống bài tập Hệ thống bài tập áp dụng dùng cho học sinh chuyên và bồi dưỡnghọc sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế cũng chưa được đề cập nhiều

Hiện nay nội dung về nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học đã được đưa

vào trong tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, tuy nhiên mới chỉ xuất hiện ở mức độ sơ lượcnhất Hệ thống các dạng bài tập còn chưa đa dạng, phong phú, sẽ gây khó khăn cho họcsinh trong việc nắm vững kiến thức lý thuyết cũng như giải quyết các bài tập

Chính vì những lý do trên nên chúng tôi chọn đề tài: “ Nguyên lý thứ nhất của

nhiệt động lực học trong bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia ”

II Mục đích của đề tài:

Khái quát hoá lại các vấn đề lý thuyết của nguyên lý I, xây dựng hệ thống bài tập,phân loại chúng một cách đơn giản nhất phục vụ cho bồi dưỡng học sinh giỏi Quốc gia,Quốc tế

III Nhiệm vụ của đề tài:

1- Nghiên cứu lí thuyết về nguyên lý I của nhiệt động lực học trong chương trình hóa

lý và hóa lý thuyết của đại học, khoa Hoá Đại học Sư phạm Hà Nội và tìm hiểu nội dunggiảng dạy hoá lý nói chung ở trường Chuyên

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

2- Thống kê, phân loại các bài tập trong tài liệu giáo khoa, sách bài tập cho sinh viên,học viên cao học trong các tài liệu tham khảo có nội dung liên quan đến nguyên lý I củanhiệt động lực học Xây dựng đáp án của từng bài tập có kèm theo những dẫn dắt đánhgiá để có được đáp án Từ đó xây dựng tiêu chí, cấu trúc các bài tập cho nhóm học sinhtrong đội tuyển dự thi học sinh giỏi Quốc gia

3- Phân tích nội dung nhiệt động lực học trong các đề thi Olympic Quốc gia các nước

và Olympic Quốc tế để thấy được mức độ yêu cầu vận dụng cơ sở lí thuyết ngày càng caocủa các đề thi, từ đó đặt ra nhiệm vụ cho các giáo viên phải có khả năng tự bồi dưỡngnâng cao trình độ, để không những trang bị được kiến thức cơ bản, nâng cao cần thiết chocác em mà còn phải biết dạy cách học, dạy bản chất vấn đề, giúp học sinh học có hiệu quảnhất

PHẦN II - NỘI DUNG

NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC TRONG BỒI DƯỠNG

HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA Chương I: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT Ở NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA

b) Hệ nhiệt động (hệ): là phần đang được nghiên cứu (nằm trong vũ trụ) có gianhgiới ngăn cách với môi trường ngoài

c) Hệ mở: là hệ trao dổi với môi trường ngoài cả chất và năng lượng: ví dụ siêunước đang sôi

d) Hệ kín: là hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường ngoài: ví dụ bình kín xảy raphản ứng giữa NaOH và H2SO4

e) Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả năng lượng và chất với môi trường ngoài: ví

dụ phản ứng xảy ra trong bình cách nhiệt hoàn toàn (Bình Dewar)

f) Hệ đồng thể là hệ hoàn toàn không có các bề mặt phân chia, mà các thuộc tínhkhông thay đổi hoặc thay đổi đều từ điểm này đến điểm kia

g) Hệ dị thể: có các bề mặt phân chia trong hệ

h) Pha: tập hợp những phần đồng thể giống nhau của một hệ hợp thành một pha

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

1.2 Thông số và trạng thái của hệ

a Trạng thái của một hệ nhiệt động được xác định bởi một tập hợp của các đại

lượng vĩ mô có thể đo được như: nhiệt độ, thể tích, áp suất, khối lượng… gọi là

d Trạng thái dừng: là trạng thái trong đó các thông số của hệ không đổi theo thời

gian Trạng thái dừng mà không có một thông số dừng nào bị biến đổi do các tác

động bên ngoài, thì hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động Một hệ cô lập, không

tương tác với bên ngoài nếu chưa đạt trạng thái cân bằng thì sớm hay muộn cũng

sẽ đạt tới trạng thái cân bằng, và tự nó không thoát ra được khỏi trạng thái này.

1.3 Các biến đổi của một hệ:

a Biết đổi thuận nghịch là những biến đổi mà các trạng thái trung gian của hệ trảiqua được xem như trạng thái cân bằng Hay quá trình từ 1-> 2 là thuận nghịch,nếu có thể thực hiện được quá trình ngược 2-> 1 đi qua đúng mọi trạng thái trunggian như lần đi, sao cho khi hệ trở về trạng thái đầu thì không tồn tại một biến đổi

nào trong chính hệ cũng như môi trường xung quanh Ngược lại là biến đổi bất

thuận nghịch Tất cả các quá trình có ma sát thì đều là bất thuận nghịch, vì đã có

một phần công thoát ra ngoài môi trường dưới dạng nhiệt (trong thực tế cuộc

sống hầu hết các biến đổi của 1 hệ đều là biến đổi bât thuận nghịch)

b Biến đổi đoạn nhiệt là biến đổi diễn ra trong điều kiện không trao đổi nhiệt vớimôi trường bên ngoài

c Biến đổi đẳng áp: là biến đổi diễn ra trong điều kiện áp suất) không đổi

d Biến đổi đẳng nhiệt: là biến đổi diễn ra trong điều kiện nhiệt độ không đổi

e Biến đổi đẳng tích: là biến đổi diễn ra trong điều kiện thể tích không đổi.

f Biến đổi đoạn nhiệt – phương trình Poisson

Trong sự giãn đoạn nhiệt hay nén đoạn nhiệt của khí lý tưởng, cả 3 tham số p, V,

T thay đổi đồng thời Do đó không thể áp dụng phương trình trạng thái để tínhbiến thiên đồng thời của p,V,T Nên phải sử dụng của điều kiện đoạn nhiệt là δQ=0

(Biến đổi đoạn nhiệt là biến đổi mà hệ không trao đổi nhiệt với môi trường ngoàinên Q=0)

Phương trình Poisson: trong đó

Áp dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng vào phương trình Poisson ta sẽđược: p.V = const

1.4 Hàm trạng thái: là một hàm của các thông số trạng thái mà các giá trị của hàm này

chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái, mà không phụ thuộc vào các biến đổi hệ

đã trải qua trước đó

- Nói chung tất cả các tham số trạng thái của hệ đều là hàm trạng thái

- Trong một chu trình, biến thiên của bất kì tham số trạng thái nào cũng đều bằng 0

- Có những đại lượng không phải là hàm trạng thái của hệ: như nhiệt lượng Q và công A của hệ Nó không chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của

hệ, mà còn phụ thuộc vào cách tiến hành của quá trình

- Quy ước dùng kí hiệu  để chỉ những lượng vô cùng nhỏ của những đại lượngkhông phải là hàm trạng thái của hệ: Q; A

- Quy ước dung kí hiệu vi phân d hoặc  cho những biến thiên vô cùng nhỏ củanhững tham số là hàm trạng thái Ví dụ dT, dP, dV, dU, dH,…

2 Năng lượng

- Năng lượng là đại lượng đo độ vận động của các vật chất, trong mọi biến đổi của

nó từ dạng này sang dạng khác

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

- Đơn vị: J, kJ, cal, kcal, eV, MeV… Trong đó 1cal = 4,18J; 1eV = 1,602.10-19J;1l.atm = 101,33J

- Định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng luôn được áp dụng

- Một quá trình giải phóng năng lượng, thì năng lượng có dấu âm “-“ và ngược lại

2.1 Công (A hay W) và nhiệt (Q)

KN: là 2 hình thức trao đổi năng lượng giữa hệ và môi trường

Nếu công và nhiệt được giải phóng thì có giá trị âm và ngược lại.

Chú ý: Công và nhiệt không phải là một hàm trạng thái, mà là một hàm của quá

trình, nó phụ thuộc vào cách thức tiến hành

Ví dụ: công giãn nở

 Nếu sự thay đổi là bất thuận nghịch thì P là một hằng số nên:

Wbtn = -P(V2-V1)

 Nếu sự thay đổi là thuận nghịch thì áp suất của hệ không phải là một hằng

số mà phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích nên:

Ví dụ: công điện của nguyên tố Ganvani: A = G = -nEF là công có ích

2.2 Nội năng (U): của một hệ là phần năng lượng ứng với sự vận động bên trong của

hệ

- Hàm nội năng là một hàm trạng thái

- Ví dụ nếu hệ là một pha (khí, lỏng hoặc tinh thể), nội năng của hệ bao gồm:

 Động năng về chuyển động phân tử của hệ: gồm động năng tịnh tiến và độngnăng quay, của các phân tử trong hệ

 Năng lượng tương tác giữa các phân tử

 Năng lượng dao động của các nguyên tử và nhóm nguyên tử chứa trong phântử

 Năng lượng của các mức e điền trong nguyên tử

 Năng lượng dự trữ của hạt nhân nguyên tử… Tóm lại, là bao gồm tất cả cácdạng năng lượng của hệ, trừ động năng chuyển động của toàn hệ và thế năng

do vị trí của hệ trong không gian quy định

- Không đo được nội năng của một hệ, chỉ đo được biến thiên nội năng của hệ đó

b Nhiệt dung riêng: là nhiệt dung quy về một lượng chất bất kỳ

Đơn vị: J/Mol.K; hoặc J/gam.K…

trong điều kiện đẳng áp

CP= QP/dT

d Nhiệt dung đẳng tích (C V): là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của hệ lên 1 độtrong điều kiện đẳng tích

CV= QV/dT

e Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ:

 Nhiệt dung của chất rắn thay đổi theo nhiệt độ thường rõ rệt hơn chất lỏng vàchất khí Nó bằng 0 ở gần 00K

 Nhiệt dung của một chất ở thể lỏng thường lớn hơn nhiệt dung của chất đó khi

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

 Hay gặp công thức sau:

1 Nội dung của nguyên lý I

- Đây là nguyên lý được rút ra từ kinh nghiệm của loài người, có thể phát biểunguyên lý này theo nhiều cách khác nhau Lấy một cách nào khởi điểm là có thểsuy ra mọi cách khác

- Khi một hệ kín thực hiện một chu trình, tổng đại số của các công W và nhiệt Q

mà hệ trao đổi với môi trường bằng 0

- Hay không thể tồn tại động cơ vĩnh cửu loại 1: là một loại động cơ chuyển

động vĩnh viễn, mà không cần phải cung cấp cho nó một năng lượng tương ứng từ bên ngoài.

A

B

=> W1 + Q1= W2 + Q2 =… = const = (W +Q)từ A đến B =UB- UA = ∆U Đây cũng là mộtcách phát biểu khác của nguyên lí I.

Nếu chu trình trên là chu trình của chất khí và sự biến đổi là vô cùng nhỏ thì

dU=δQ + δW = δQ – PdV (Đây gọi là biểu thức vi phân của nguyên lý 1)

 ∆U = Q (1)

III Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của quá trình

Trong trường hợp tổng quát, nguyên lý 1 có thể viết như sau:

dU=δQ + δW + δW’ = δQ – PdV + δW’ (trong đó δW’ là công khác công giãn nở,thường gặp là công điện trong nguyên tố Ganvani)

Chú ý: Công giãn nở không phải là công có ích, vì trong các quá trình nó hầu nhưkhông được sử dụng, đặc biệt trong các phản ứng hoá học Trừ trường hợp công giãn

nở dùng để chạy động cơ như trong chu trình Các – nô

1 Trong trường hợp không có công W’

δQ= dU + PdV

a Quá trình đẳng tích

∆U = Q (1)

Với sự biến đổi đẳng tích của khí lí tưởng thì dV=0 Nên ∆U = Q Hay nhiệt đẳng tích

Qv =∆U (bằng sự biến đổi nội năng của hệ)

Toàn bộ nhiệt do hệ hấp thụ trong quá trình này chỉ để làm tăng nội năng của hệ

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

Đặt H= U + PV (Entanpi) U là một hàm trạng thái nên H cũng là một hàm trạngthái, H cũng là một thông số khuếch độ giống U

 ∆H =∆U+ P(V2-V1) =Qp Gọi là nhiệt đẳng áp

Kết luận: Q không phải là một hàm trạng thái, tuy nhiên đối với hệ mà không có công nào khác ngoài công giãn nở, thì có 2 trường hợp riêng Q chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ là quá trình đẳng áp và đẳng tích:

- Nhiệt đẳng áp (t0 , P =const) QP = ∆H

- Nhiệt đẳng tích (t0 , V =const) QV = ∆U

2 Trong trường hợp có công W’

dU=δQ + δW + δW’ = δQ – PdV + δW’

 δQ + δW’= dU+PdV Gọi là hiệu ứng nhiệt của quá trình

a Quá trình đẳng tích

Tương tự trên ta suy ra QV = ∆U- W’

Như vậy trong trường hợp hệ thực hiên công có ích W’, thì nhiệt của phản ứngkhông còn bằng biến thiên nội năng của hệ Chỉ có hiệu ứng nhiệt mới bằng biếnthiên nội năng

b Quá trình đẳng áp

Suy luận một cách tương tự ta có QP = ∆H- W’

Như vậy trong quá trình thực hiện công W’ nhiệt đẳng áp không bằng biến thiênEntanpi của hệ

3 Nhiệt và hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học

a Khái niệm:

 Nhiệt: là nhiệt lượng kèm theo (toả ra hoặc thu vào của phản ứng)

 Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng: là năng lượng giải phóng ra hoặc thu vào

của một phản ứng (nó bao gồm nhiệt toả ra hoặc thu vào và công có ích (nếucó) mà phản ứng đó thực hiện)

b Hiệu ứng nhiệt trong phản ứng thuận nghịch và bất thuận nghịch.

 Do U và H là các hàm trạng thái, nên một phản ứng hoá học diễn ra trong điềukiện thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch thì giá trị ∆H và ∆U là như nhau.

 Một phản ứng hoá học diễn ra luôn có công hoá học có ích (ví dụ có thể chuyểnthành công điện cho bên ngoài), công này là lớn nhất khi phản ứng này diễn ratrong điều kiện thuận nghịch

 Với phản ứng hoá học diễn ra thuận nghịch đẳng tích thì

∆U = QV/tn + W’max

mà ∆Utn = ∆Ubtn là hiệu ứng nhiệt của phản ứng (vì pdV=0)

nếu với phản ứng đó xảy ra trong điều kiện bất thuận nghịch đẳng tích mà khôngthực hiện công có ích thì Qbtn = ∆Ubtn

 Q btn = Q V/tn + W’ max là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

 Với phản ứng hoá học diễn ra trong điều kiện đẳng áp cũng tương tự:

∆H = Q P/btn = Q P/tn + W’ max là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

 Ví dụ 1: Xét phản ứng Zn+ CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Thực hiện trong 2 điều kiện sau:

Trường hợp 1: Thực hiện trong một bình phản ứng ở 250C, 1 atm thì nó toả ramột nhiệt lượng là 55200cal/mol

Trường hợp 2: Phản ứng diễn ra trong một nguyên tố Ganvani ở 250C, 1 atm (pinĐanien) thì nhiệt lượng toả ra là 4800Cal/mol

Hãy tính suất điện động của pin Đanien trên

HD: Đây là một phản ứng hoá học thực hiện theo những cách khác nhau trong

điều kiện đẳng áp, nên ∆H trong cả 2 trường hợp là như nhau.

Trường hợp 1: không thực hiện công có ích, nên ∆H = QP/btn

Trường hợp 2: thực hiện công có ích, nên ∆H = QP/tn + Wđiện= QP/tn +(-nEF)

Nên ta có: QP/btn= QP/tn +(-nEF)

 E =( -55200- (-4800)) 4,18/(-2.96500) = 1,091V

c Quan hệ giữa ∆H và ∆U trong một phản ứng hóa học

Một phản ứng hoá học thực hiện trong điều kiện đẳng áp thì

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

∆H= ∆U+ P∆V = ∆U +∆nRT Trong đó:

 ∆n: là hiệu số mol khí của Sản phẩm – tham gia (có tính đến hệ số của cácchất)

Hay với n là số mol khí lí tưởng đang xét thì: Cp- Cv=nR

b Định luật Gay luytxac – Jun: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,

không phụ thuộc vào thể tích hoặc áp suất Nên ta có:

Với n mol khí lý tưởng: ∆U=n.∫

III Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản – thuận nghịch nhiệt động của khí lý tưởng

Chú ý: Nếu khí lý tưởng là khí đơn nguyên tử như khí trơ, hơi kim loại, hoặc khi

khoảng nhiệt đô đang xét không quá lớn thì CV của khí lý tưởng không phụ thuộcvào nhiệt độ, thì QV = ∆U =nCV(T2- T1)

Chú ý: Nếu khí lý tưởng là khí đơn nguyên tử như khí trơ, hơi kim loại, hoặc khi

khoảng nhiệt đô đang xét không quá lớn thì CP của khí lý tưởng không phụ thuộc vàonhiệt độ, thì QP = ∆H =nCP(T2- T1)

3 Quá trình đẳng nhiệt (T= const)

4 Quá trình đoạn nhiệt

Theo nguyên lý I ∆U = Q+W Đối với quá trình đoạn nhiệt Q=0,

Nên W = ∆U

Vì khí không nhận nhiệt từ bên ngoài nên công sinh ra do sự giãn nở lấy từ nội năngcủa khí, nên nhiệt độ của khí giảm đi, khí lạnh đi khi giãn nở đoạn nhiệt

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

Áp dụng phương trình Poisson cho quá tình biến đổi đoạn nhiệt ta sẽ tìm được T2 từ

đó xác định được công của quá trình biến đổi đoạn nhiệt

IV Công và nhiệt của một số quá trình đơn giản bất thuận nghịch nhiệt động.

1 Quá trình đẳng nhiệt bất thuận nghịch

Ví dụ: ta xét quá trình giãn đẳng nhiệt từ áp suất P1 đến áp suất P2 Quá trình bấtthuận nghịch diễn ra rất nhanh (giống như quá trình quả bóng bay bị vỡ), nên hệ rấtnhanh chóng đạt đến áp suất P2, nhanh đến mức mà ta có thể coi áp suất P2 là áp suấtcủa hệ trong suốt quá trình giãn nở

W = -∫

V 1

V 2

P2dV = -P2(V2- V1)

2 Quá trình đoạn nhiệt bất thuận nghịch

Ví dụ: Quá trình giãn đoạn nhiệt bất thuận nghịch, của khí đơn nguyên tử, lý tưởng,

3 Với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch khác:

vẫn có thể tính toán các đại lượng nhiệt và công với quá trình này, bằng cách chia nhỏ quá trình đó thành các quá trình thuận nghịch

Ví dụ: (ta sẽ xét cụ thể trong phần bài tập minh hoạ bên dưới)

1 Một số khái niệm

a Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thực hiện trong

điều kiện đẳng tích hay đẳng áp là năng lượng giải phóng ra hoặc thu vào (Nó làtổng của nhiệt phản ứng thực hiện trong điều kiện thuận nghịch nhiệt động, cộngvới công có ích cực đại mà phản ứng có khả năng thực hiện trong điều kiện thuậnnghịch nhiệt động đó)

b Điều kiện chuẩn:

- Là điều kiện áp suất 1 atm, chất được xét là chất nguyên chất ở trạng thái tập hợpbền nhất hoặc thông thường nhất của chất đó trong điều kiện đã cho

- Ví dụ: Trạng thái chuẩn của Cacbon là than chì mà không phải kim cương

Trạng thái chuẩn của S là S rombic mà không phải S đơn tà

Trạng thái chuẩn của oxi là O2…

- Ký hiệu trạng thái chuẩn bằng cách thêm số 0 vào phía trên bên phải của đạilượng đang xét và thường ghi nhiệt độ ở trạng thái chuẩn đó Q0

298, ∆H0

298, …

Trong đó :

- AB, CD là quá trình đẳng nhiệt, thuận nghịch

- BC, DA là quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

CD

B

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

- Khi nhiệt độ ở 298,15K (250C) thì ta có trạng thái chuẩn ở nhiệt độ chuẩn

c Phương trình nhiệt hoá học.

Là phương trình hoá học có ghi rõ hiệu ứng nhiệt và trạng thái của các chất trongphản ứng

a Sinh nhiệt: (hay nhiệt tạo thành- nhiệt hình thành) của một chất là hiệu ứng nhiệt

của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền (chuẩn)

- Ký hiệu ∆Hsinh, ∆Htạo thành, ∆Hf

- Đơn vị J/mol, cal/mol……

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hsinh) sản phẩm - (∆Hsinh) tham gia

b Nhiệt phân huỷ

- Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một chất thành các đơn chất bền

- Ký hiệu ∆Hphân huỷ

- Đơn vị J/mol, cal/mol……

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hph) tham gia - (∆Hph) sản phẩm

c Nhiệt cháy (thiêu nhiệt).

- Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháyhoàn toàn 1 mol chất đó tạo thành các oxit cao của các nguyên tố tương ứng

- Ký hiệu ∆Hcháy hay ∆Hđc

- Đơn vị J/mol, cal/mol……

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =(∆Hcháy) tham gia - (∆Hcháy) sản phẩm

d Năng lượng liên kết

- Là năng lượng toả ra khi tạo thành liên kết từ các nguyên tử ở trạng thái cơ bản

- Ký hiệu Eliên kết (luôn có dấu âm “-“)

- Đơn vị J/mol, cal/mol……

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ∆Hpứ =( Eliên kết) sản phẩm - ( Eliên kết) tham gia

- Chú ý: cũng có thể sử dụng khái niệm năng lượng phản liên kết thay cho kháiniệm năng lượng liên kết, nên khi làm dạng bài tập này ta phải chú ý tới dấu củanăng lượng liên kết được cung cấp

e Các đại lượng nhiệt khác mà ta có thể sử dụng trong quá trình tính hiệu ứng

nhiệt của phản ứng

- Gồm: Năng lượng ion hoá, ái lực electron, nhiệt chuyển pha , nhiệt hidrat hoá,năng lượng mạng lưới tinh thể, nhiệt hoà tan

Năng lượng ion hoá: Là năng lượng cần cung cấp để tách 1 e ra khỏi hệ ở trạng

thái cơ bản: I1, I2, … (có đơn vị J/mol, cal/mol, eV… Có dấu dương “+”)

Ái lực electron là năng lượng kèm theo quá trình nhận thêm e của hệ ở trạng thái

cơ bản Nếu hệ đó là nguyên tử phim kim và quá trình nhận là nhận 1 e thì ái lực

e thường là năng lượng toả ra (có đơn vị J/mol, cal/mol, eV…)

Nhiệt chuyển pha

 Nhiệt chuyển pha là năng lượng toả ra hoặc thu vào khi một mol chấtchuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác (ở nhiệt độ chuyển pha)

 Gồm có: nhiệt nóng chảy (∆Hnc>0), nhiệt hoá rắn (∆Hhr<0), nhiệt hoá hơi(∆Hhh>0), nhiệt thăng hoa (∆Hth>0), nhiệt chuyển dạng thù hình (Từ dạngthù hình bền sang kém bền ∆H>0), nhiệt nguyên tử hoá với tinh thể kimloại (∆Hnt>0),

Nhiệt hidrat hoá (nhiệt solvat hoá với một dung môi bất kỳ)

 Là nhiệt lượng toả ra khi một ion ở trạng thái khí kết hợp với nước đểthành ion bị hidrat hoá (∆H< 0),

 Nhiệt hidrat hoá phụ thuộc vào điện tích và bán kính của ion (bán kính ioncàng nhỏ, điện tích ion càng âm hoặc càng dương thì nhiệt toả ra càngnhiều)

Năng lượng mạng lưới tinh thể ion

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

 Là năng lượng toả ra khi hình thành một mol chất ở dạng tinh thể từ các ion

ở trạng thái khí (Uml <0)

 Là năng lượng cần thiết để phá vỡ tinh thể ion thành các ion ở trạng tháikhí (Uml >0)

Nhiệt hoà tan

 Là nhiệt lượng toả ra hay thu vào khi hoà tan một mol chất vào dung môi(thường là nước)

4 Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng dựa vào chu trình Born – Harber

Ví dụ: Tính năng lượng mạng lưới của KBr Biết

∆H sinh tinh thể KBr = – 392,0 kJ/mol

∆H bay hơi của brom = 30,7 kJ/mol

∆H nguyên tử hoá của kali = 90,0 kJ/mol

∆H tạo thành Br – Br = – 193,0 kJ/mol

ái lực electron của Br = – 333,0 kJ/mol

Năng lượng ion hóa của K = 419,0 kJ/mol

HD: Có chu trình Born – harber của phản ứng trên như sau

K(k)

KBr(r)

K(r) + 1/2Br2(lỏng)

=> -QV = (T2- T1)( Cnhiệt lượng kế + Cnước)

- Biến thiên nội năng của phản ứng ∆U = QV là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

- Biến thiên entanpi ∆H = ∆U + ∆nRT (giá trị ∆H này có liên hệ với giá trị ∆Hriêng của các chất trong phản ứng)

Với ∆n = tổng số mol khí sản phẩm- tổng số mol khí tham gia

VII Sự phụ thuộc của hiệu nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - Định luật Kiecsop

23

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

Tương tự:

Trong đó ∆Cphản ứng =∑Csp - ∑Ct/g

Chương II: PHÂN DẠNG BÀI TẬP NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

HOÁ HỌC.

I Dạng bài tập tính nhiệt, công, ∆U, ∆H của các quá trình

Dạng bài tập này đòi hỏi học sinh phải hiểu rõ nguyên lý I, hiểu rõ bản chất của các quátrình (đã trình bày ở phần lý thuyết), nắm vững các công thức, sự biến đổi các công thức

1 Dạng bài tập với các quá trình biến đổi thuận nghịch nhiệt động học.

Ví dụ 1: Cho 100 gam N2 ở 00c, 1 atm Tính nhiệt Q, công W, biến thiên nội năng ∆U,biến thiên ∆H trong các biến đổi sau đây được thực hiện thuận nghịch nhiệt động

1 Đun nóng đẳng tích tới áp suất 1,5 atm

2 Giãn nở đẳng áp tới thể tích gấp đôi ban đầu

3 Giãn đẳng nhiệt tới V=200 lít

4 Giãn đoạn nhiệt tới V=200lit

Với N2 là khí lí tưởng và Cp= const trong quá trình thí nghiệm =29,1J.K-1.mol-1

Thảo luận, hướng dẫn:

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

Ta cũng có thể tính ∆U bằng biểu thức nguyên lý I, khi đó

1 Giãn nở thuận nghịch đẳng nhiệt

2 Giãn nở thuận nghịch đoạn nhiệt

Cho biết nhiệt dung mol đẳng tích được cho bởi phương trình CV = 3/2RT với R là hằng

số khí

Bài 2: Tính công, nhiệt, biến thiên nội năng, biến thiên entanpi khi cho hoá hơi 6 gam

Toluen tại nhiệt độ sôi của Toluen là (383K) và 1 atm Nhiệt hoá hơi của Toluen là

33,6kJ/mol Chấp nhận Toluen ở thể hơi là khí lý tưởng và thể tích của chất lỏng nhỏ,không đáng kể so với thể tích hơi.

Bài 3: Cho 100g CO2 ở 00C và 1,013.105N.m-2 Xác định nhiệt, công, biến thiên nộinăng, biến thiên entanpi trong những quá trình sau đây được tiến hành thuận nghịchnhiệt động:

1 Giãn đẳng nhiệt đến thể tích 0,2m3

2 Giãn đẳng áp đến thể tích 0,2m3

3 Giãn đoạn nhiệt đến áp suất gấp đôi lúc đầu

4 Nấu nóng đẳng tích tới áp suất gấp đôi lúc đầu

Chấp nhận CO2 là khí lý tưởng và nhiệt dung đẳng áp của nó CP=const=37,1 J.mol-1.K-1

trong điều kiện khảo sát

2 Dạng bài tập với các quá trình biến đổi bất thuận nghịch nhiệt động học.

Nhận xét: Đây là dạng bài tập thường gây khó khăn đối với học sinh Chuyên và kể

cả với học sinh trong đội tuyển Quốc gia Nguyên nhân, là do học sinh chưa nắm chắc các kiến thức lý thuyết phần này, hoặc chưa hiểu, mà chỉ máy móc áp dụng công thức, nên dẫn đến những sai sßót khi làm bài.

Ví dụ 1: Tính công của sự biến đổi đẳng nhiệt thuận nghịch và bất thuận nghịch của

42,0 gam khí nito ở 270c khi:

a) Giãn nở từ 5,0atm xuống 1atm

b) Nén từ 1,0 atm đến 5,0 atm

Khí được coi là khí lí tưởng So sánh các kết quả thu được và rút ra kết luận

Thảo luận, hướng dẫn:

Đây là quá trình biến đổi đẳng nhiệt nên cho dù là thuận nghịch hay bất thuận nghịchthì ∆U= 0

 Với quá trình biến đổi thuận nghịch

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

 Với quá trình biến đổi bất thuận nghịch

Ta thấy quá trình giãn (nén) đẳng nhiệt từ áp suất P 1 đến áp suất P 2 Quá trình bất thuận nghịch diễn ra rất nhanh (giống như quá trình quả bóng bay bị vỡ), nên hệ rất nhanh chóng đạt đến áp suất P 2 nhanh đến mức mà ta có thể coi áp suất P 2 là áp suất của hệ trong suốt quá trình giãn nở.

- Với quá trình nén bất thuận nghịch thì công cần thực hiện nhiều hơn quá trình nénthuận nghịch.

- Tổng công nén và công giãn lớn hơn 0, vì ở quá trình bất thuận nghịch, quá trìnhnghịch không quay lại theo đúng con đường như quá trình nghịch

Ví dụ 2: Tính biến thiên nội năng và biến thiên entanpi của quá trình hoá hơi 900g nước

lỏng ở 600C Biết nhiệt độ sôi của nước lỏng là 1000C, Nhiệt hoá hơi của nước lỏng ở373K là 40,66kJ/mol; C0

p của nước lỏng là 75,3 J/mol.K;

C0

p của nước khí là 30,2+1,00.10-2T (J/mol.K); coi thể tích nước lỏng là không đáng kể

so với thể tích nước khí

Thảo luận và hướng dẫn:

Nhận xét: quá trình đun sôi nước ở 600C không phải là quá trình thuận nghịch, nên takhông thể tính toán biến thiên nội năng và biến thiên entanpi của quá trình này, mà taphải chia nó thành các quá trình thuận nghịch

Hội thảo các trường THPT Chuyên khu vực DH- ĐBBB 2016

∆Uqt=∆U1 +∆U2 +∆U3 = 133972 +2177943,9 + (-50832) =2261083,9 J = 2261,084 kJ

Ví dụ 3: (Đề kiểm tra đội tuyển vòng 2 năm 2015)

Xét quá trình giãn nở đoạn nhiệt bất thuận nghịch của 2 mol khí lý tưởng đơn nguyên tửdưới áp suất bên ngoài Pngoài= 1bar Ở trạng thái đầu, khí chiếm thể tích VA = 5lít; ápsuất PA= 10bar, giãn nở tới áp suất bên ngoài

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 công, nhiệt, biến thiên nội năng, biến thiên entanpi của hệ trong quá trìnhtrên

Biết ở điều kiện ban đầu nhiệt dung đẳng áp của khí CP= 3/2.R

Thảo luận và hướng dẫn:

a Nhiệt độ của trạng thái ban đầu được tính dựa vào phương trình trạng thái của khí

lý tưởng:

T1 =P1.V1/ (n.R) = 0,082.25.10 = 304,878K

b Nhận xét: Đây là quá trình giãn đoạn nhiệt bất thuận nghịch, nên ta không thể ápdụng phương trình Poisson để tìm nhiệt độ T2 của quá trình Ta phải sử dụngnguyên lý I để tính T2.

Quá trình giãn đoạn nhiệt bất thuận nghịch, của khí đơn nguyên tử, lý tưởng, độtngột từ áp suất PA đến Pngoài:

Q =0 nên: W =∆U = nCV(T2-T1)

Do khí đang xét là khí lý tưởng đơn nguyên tử nên nhiệt dung C không phụ thuộcvào nhiệt độ, vì vậy trong toàn bộ quá trình biến đổi

CV = 3/2 R- R= R/2= 4,157 J/mol.K

Ta thấy quá trình giảm áp diễn ra đột ngột, nên áp suất Pngoài có thể coi là áp suất của

hệ trong toàn bộ quá trình biến đổi nên W = - Pngoài (V2- V1)

Nhận xét: quá trình giãn đoạn nhiệt là quá trình không có sự biến đổi nhiệt, nên công

mà hệ thực hiện hoàn toàn lấy từ nội năng, do đó nhiệt độ của hệ sẽ giảm

c Tính W, Q, ∆H, ∆U của quá trình biến đổi trên: