Một số kinh nghiệm dạy tốt bài hiệu ứng nhiệt của phản ứng lớp 10 phân ban

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?. Mời quý thầy cô tham khảo sáng kiến “Một số kinh nghiệm dạy tốt bài hiệu ứng nhiệt của phản ứng lớp 10 phân ban”.

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

I 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

II 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

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

m

RT 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

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:

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?

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

- 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 (DU)

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 (DH)

* Quy ước về dấu:

- Khi viết phương trình nhiệt hóa học, ta cần lưu ý:

độ 250C (hay 289K) được gọi là áp suất tiêu chuẩn và nhiệt độ tiêu chuẩn nhiệt động lực học

2/ Quan hệ giữa DH và DU : Ở nhiệt độ và áp suất không đổi,

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 DH và DU của phản ứng là các hàm trạng thái)

R =

- 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 DH của tất cả các giai đoạn còn lại đều đã biết

SO2 +

2

1

O2 ( K) ® SO3( K) (3) DH3 = – 98,2 Kcal / mol

Giải: * Cách1:

Sản phẩm

+ O2

D H

- Từ những dữ kiện của bài toán, ta có thể lập sơ đồ sau:

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 DHo

tt

Vd: C (r) + O2( K) ® CO2( K) DH0

298 = – 393,51 KJ

DHo

tt (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: DH0pư = å DHo

tt ( sản phẩm) – å DHo

tt (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

DH3 = DH2 + DH1 + DH Þ DH = – 177 KJ / mol

* Cách 2:

DH = DH CaCO3 – (DH CaO + DH CO2) = –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,

D H 0 3

Tính biến thiên entanpi tiêu chuẩn của phản ứng:

Bài tập 2: Giả sử có 3 phản ứng sau xảy ra trong điều kiện tiêu chuẩn nhiệt động học:

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

Bài tập 3: Cho các đơn chất Halogen sau:

Trong số các đơn chất này, đơn chất nào có entanpi tạo thành tiêu chuẩn khác 0?

- 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

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) DH2 = – 94,052 Kcal / mol

C (kim cương) + O2 ( K) ® CO2( K) (3) DH3 = – 94,505 Kcal / mol

Bài tập 2: Xác định DH hóa hơi của H2O

Biết DH0H2O (lỏng) = – 68,32 Kcal / mol

Ap dụng định luật Hess: DH0H2O (lỏng) + DH bay hơi = DH0H2O (K)

Þ DH bay hơi = 10,52 Kcal / mol

4/ Năng lượng liên kết (năng lượng phân li liên kết): ELK hay DHLK

- 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) ELK = 423,8 KJ phương trình tổng cộng:

DH0 = 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

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 »

a C

a C

r r

Q Q

+

- 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:

Na (r) +

2

1

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)

Vậy NLML tinh thể NaCl: U = + 785,3 KJ / mol

Bài tập: Tính NLML tinh thể ion Bacl2 từ các dữ kiện sau:

- Ai lực electron của Clo – 357,73 KJ / mol

Giải: Năng lượng mạng lưới tinh thể ion

Theo định luật Hess ta có:

DH2 = DH4 + DH5 + DH6 + DH3 + 2DH7 – DH1

= 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

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 H2O (rắn) < S H2O (lỏng) < S H2O (K)

S H2(K) < S O2 (K) < S O3(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 800

C 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 DS > 0 , DS < 0 , DS » 0

Þ Nếu 2 mol H2 thì entropi phải là 2 130,59 = 261,18 J.K-1.mol-1

2/ Sự biến thiên entropi DS trong phản ứng hóa học:

Nhận xét : Phản ứng này có DS < 0 vì Dn = 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:

+ DH < 0 : Năng lượng của hệ giảm Þ trở thành hệ bền vững hơn ( đó

là các phản ứng tỏa nhiệt)

+ DS > 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 DH và DS 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 (DH < 0) quá trình này kèm theo sự giảm entropi (DS < 0 ) vì S H2O (K) >> S H2O (lỏng)

Vd 2: CaCO3 (r) ® CaO (r) + CO2 (k)

Đây là phản ứng thu nhiệt (DH > 0) , kèm theo sự tăng entropi (DS > 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

DH và DS, 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 DG và tính theo công thức

kiện chuẩn

DS là J.K-1.mol-1

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: DG = DH –

a) Hãy cho biết điều kiện chuẩn (250C) phản ứng trên có xảy ra không?

b) Nếu coi DH và DS không phụ thuộc vào nhiệt độ Hãy cho biết ở nhiệt độ nào phản ứng trên có thể xảy ra?

C) phản ứng này không xảy ra vì DG0pư > 0 b) Muốn phản ứng xảy ra phải có:

DG = DH – TDS < 0 Þ T >

S

H

D D

Nếu coi DH và DS không phụ thuộc nhiệt độ thì phản ứng xảy ra khi

T >

785 , 86

282990 » 3261 K

Trong trường hợp coi DH không phụ thuộc nhiệt độ, ta có:

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 DH0 theo nhiệt độ

Giải: Ta có:

1000

0 1000

1000

298

= – 41275 J / mol Nhận xét: Ở điều kiện tiêu chuẩn, tại 298 K ( hay 250C) phản ứng có DG0 >

0 nên chiều tự phát là chiều phản ứng nghịch Tại 1000 K ( hay 7270C) DG0 < 0 nên chiều tự phát là chiều phản ứng thuận

4/ Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của một chất:

- Ngoài việc tính DG0 của phản ứng theo công thức DG0 = DH0 – TDS0, ta có thể tính DG0 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 DG0

298 tt của các chất, hãy xét phản ứng phân hủy đá vôi

tự diễn biến ở điều kiện thường không?

Þ 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:

DG0 = DH0 – TDS0

kí hiệu “O” chỉ các giá trị lấy ở điều kiện chuẩn ( T = 298 K ; P = 1 atm)

DH0 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở đkc, có thể tính được dựa vào nhiệt tạo thành hay nhiệt cháy

DS0 là biến thiên entropi của phản ứng được tính DS0pư =åS0 (sản phẩm) -

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

DG0 = – RT ln K = – 2,303 RT lg K R: hằng số khí lý tưởng bằng 1,987 cal mol-1 K-1T: 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:

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:

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:

năng lượng và theo nhiệt tạo thành