Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập phần "Nhiệt hóa học" cho học sinh chuyên hóa

Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập phần "Nhiệt hóa học" cho học sinh chuyên hóa

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP PHẦN “NHỆT HOÁ HỌC” DÙNG CHO HỌC

SINH CHUYÊN HOÁ

Trường THPT chuyên Nguyễn Huệ - Hà Nội

I MỞ ĐẦU

Trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông nhiệm vụ phát triển tư duy cho học sinh là nhiệm

vụ rất quan trọng, đòi hỏi tiến hành đồng bộ ở các môn, trong đó Hóa học là môn khoa học thực nghiệm

đề cập đến nhiều vấn đề của khoa học, sẽ góp phần rèn luyện tư duy cho học sinh ở mọi góc độ đặc biệt làqua phần bài tập hóa học Bài tập hóa học không những có tác dụng rèn luyện kỹ năng vận dụng, đào sâu

và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú mà còn thông qua đó để ôn tập, rèn luyệnmột số kỹ năng cần thiết về hóa học, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thông minh sáng tạo cho học sinh,giúp học sinh hứng thú trong học tập Qua bài tập hóa học giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắm vữngkiến thức và kỹ năng hóa học của học sinh

Để giáo viên bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở trường chuyên dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh và cấpQuốc gia được tốt thì nhu cầu cấp thiết là cần có một hệ thông câu hỏi và bài tập cho tất cả các chuyên đềnhư : cấu tạo chất, nhiệt hoá học, động hoá học, cân bằng hoá học,

Vì vậy , trong quá trình giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Tỉnh và Quốc gia tôi đã sưu tầm và tập hợp lạimột số câu hỏi và bài tập theo một số chuyên đề, trong đó có phần dùng để luyện tập cho học sinh phần

“Nhiệt hoá học”

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Xây dựng hệ thống câu hỏi và bài tập phần “Nhiệt hoá học”dùng cho học sinh lớp chuyên Hoáhọc ở bậc THPT giúp học trò học tốt hơn và chuẩn bị tốt hơn cho các kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cả về

lý thuyết – bài tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học

III NỘI DUNG

- Hệ mở: hệ trao đổi chất và năng lượng với môi trường.

- Hệ kín: Hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường.

- Hệ đoạn nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường.

* Quy ước:

Hệ nhận năng lượng của môi trường  năng lượng mang dấu +

Hệ nhường năng lượng cho môi trường  năng lượng mang dấu

-3) BIẾN ĐỔI THUẬN NGHỊCH:

Nếu hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác một cách vô cùng

chậm qua liên tiếp các trạng thái cân bằng thì sự biến đổi này được gọi là thuận nghịch Đây là sự biếnđổi lí tưởng không có trong thực tế

4) SỰ BIẾN ĐỔI BẤT THUẬN NGHỊCH: là sự biến đổi được tiến hành với vận tốc đáng kể Những

phản ứng trong thực tế đều là biến đổi bất thuận nghịch

5) HÀM TRẠNG THÁI: là hàm mà giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ,

không phụ thuộc vào những sự biến đổi trước đó

Ví dụ: P.V = hàm trạng thái

6) CÔNG (W) VÀ NHIỆT (Q)

- Là 2 hình thức trao đổi năng lượng

- W, Q không phải là hàm trạng thái vì giá trị của chúng phụ thuộc vào cách biến đổi

Ví dụ: Công của sự giãn nở khí lí tưởng từ thể tích V1 đến V2 ở to = const trong 1 xilanh kín nhờ 1 pittôngđược tính bằng công thức:

W = - P n dV

2 1

 (Pn : áp suất bên ngoài)

* Nếu sự biến đổi là BTN thì Pn = Pkq = const

WBTN = - Pkq dV

2 1 = - Pkq V = - Pkq (V2 - V1)

* Nếu sự biến đổi là thuận nghịch: Giảm Pn những lượng vô cùng bé để thể tích khí tăng những lượng vôcùng bé Khi đó Pn mỗi lúc thực tế = P ở bên trong xi lanh = Pk

- U là đại lượng dung độ và là hàm trạng thái

- U của n mol khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

8) NGUYÊN LÍ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC: (SỰ BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG CỦA HỆ).

U = U 2 - U 1 = W + Q

- Đối với sự biến đổi vô cùng nhỏ: dU = W + Q

(: Chỉ những hàm không phải là hàm trạng thái)

- Thường gặp công được thực hiện chỉ do sự biến đổi thể tích nên: W = -P.dV

 dU = Q = P dV  dU = Q - P. dV

2 1

2 1

2 1 = P V2 - P V1  U = U2 - U1 = QP - P V2 + P V1  QP = (U2 + P.V2) - (U1 + P V1)

Đặt U + P.V = H = entanpi = hàm trạng thái

 QP = H2 - H1 = H = sự biến thiên entanpi của hệ

* Nhiệt phản ứng:

Xét 1 hệ kín trong đó có phản ứng: aA + bB  cC + dD

Nhiệt phản ứng của phản ứng này là nhiệt lượng trao đổi với môi trường khi a mol A phản ứng với b mol

B tạo ra c mol C và d mol D ở T = const

U



 +

T

V P



 = CV + R

Q, W: Không phải là hàm trạng thái

Q V = U; Q P = H  Q V , Q P là hàm trạng thái  chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi là thuận nghịch hay không thuận nghịch.

9) ĐỊNH LUẬT HESS: H (U) của 1 quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của

hệ mà không phụ thuộc vào đường đi

Hpư = Hs (sản phẩm) - Hs (chất đầu) = Hc (chất đầu) - Hc (sản phẩm)

T

T

P P

- H1 thường được xác định ở điều kiện chuẩn: Ho T = H o 298 + 

T o

P dT C

298

Với Co P = C o P(sp) - C o P(tham gia)

Co P là nhiệt dung mol đẳng áp ở điều kiện chuẩn (1atm).

- Trong khoảng hẹp của nhiệt độ có thể coi Co P = const

Thì: H2 = H1 + CP.(T2 -T1)

Ho T = Ho

298 + Co P (T - 298)

11) ENTROPI (S)

- Trong sự biến đổi thuận nghịch vô cùng nhỏ ở T = const hệ trao đổi với môi trường một lượng nhiệt

QTN thì sự biến thiên entropi trong quá trình này là: dS =

- Vì là hàm trạng thái nên khi chuyên từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng biến thiên thuận nghịch haybất thuận nghịch thì S2 - S1 = S = 

- Trong hệ cô lập Q = 0 nên:

+ dS = 0: trong hệ cô lập entropi của hệ không đổi nếu xảy ra quá trình thuận nghịch

+ dS > 0 : trong hệ cô lập, quá trình tự xảy ra (BTN) theo chiều tăng entropi của hệ và tăng cho tới khi đạtgiá trị max thì hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng

* Entropi là thước đo độ hỗn độn của hệ: Độ hỗn độn của 1 hệ hay 1 chất càng lớn khi hệ hay chất đógồm những hạt và sự dao động của các hạt càng mạnh (khi liên kết giữa các hạt càng yếu)

VD: S < S < S

S < S < SH

2 (k) O2(k) O3 (k)

 S là 1 đại lượng dung độ

13) SỰ BIẾN THIÊN S TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA CHẤT:

Khi chất nguyên chất nóng chảy hoặc sôi ở P = const thì:

H = nhiệt biến thiên trạng thái = Ln/c hoặc Lh

14) S TRONG QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ ĐẲNG NHIỆT KHÍ LÍ TƯỞNG:

Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V1  V2 ở to = const Vì nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộcnhiệt độ nên trong sự biến đổi này:

15) SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI CỦA CHẤT NGUYÊN CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ.

- Quá trình P = const: Đun nóng 1 chất nguyên chất từ T1  T2, không có sự chuyển pha:

- Quá trình: V = const  S = n CV.ln

1

2

T T

16) ENTROPI TUYỆT ĐỐI

* Nguyên lí III của nhiệt động học:

- Entropi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn chỉnh ở 0(K) bằng 0: S(T = 0) = 0

* Xuất phát từ tiên đề trên ta có thể tính được entropi tuyệt đối của các chất ở các nhiệt độ khác nhau.VD: Tính S của 1 chất ở nhiệt độ T nào đó, ta hình dung chất đó được đun nóng từ 0(K)  T(K) xét ởP=const Nếu trong quá trình đun nóng có sự chuyển pha thì:

S = ST - S(T = 0) = ST = 

5 1

i i

S

 ST =

T

dT C

n T

L n T

dT C n T

L n T

dT C n

T T h P S

S T

T l P nc

nc T

r P

S S

nc

nc

0

) (

1





Giá trị entropi được xác định ở P = 1 atm = const và ở nhiệt độ T nào đó được

gọi là giá trị entropi chuẩn, kí hiệu là S0 T, thường T = 298K  S 0

298

17) SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI TRONG PHẢN ỨNG HOÁ HỌC:

+ Khi phản ứng thực hiện ở P = const, T = const thì: S = S(sp) - S(t/g)

+ Nếu ở điều kiện chuẩn và 250C thì: S0 298= S 0 298(sp) - S 0 298(t/g)

+ Vì S của chất khí >> chất rắn, lỏng nên nếu số mol khí sản phẩm (sp) > số mol

khí tham gia thì S > 0 và ngược lại Còn trong trường hợp số mol khí ở 2 vế

bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí thì S có giá trị nhỏ

+ Đặt G = H – TS  ở nhiệt độ, P không đổi thì quá trình xảy ra theo chiều có

G = H – T S < 0

Và đạt tới trạng thái cân bằng khi G = 0

b) Thế đẳng tích: (Năng lượng Helmholtz)

Nếu hệ biến đổi ở điều kiện T, V không đổi  nhiệt đẳng tích mà môi trường nhận của các hệ là Umt

+ Đối với quá trình T,P = const  G = W’max

+ Đối với quá trình T, V = const  S = W’max

T

dT C n

T

T

P

1

T d C n

T

T

V ln

1 1

ln

2

P nRT V

V nRT V

V nRT V

dV RT

- Nội năng: UT = 0

- Entanpi: HT = UT + (PV)T = UT + nR T = 0

- Entropi: S TN =

nc

nc TN

T

L T

* Với quá trình dãn nở khí lí tưởng thuận nghịch

T

W U T

Q TN



n C V dT T T

T

2

1

dV V

* Quá trình đoạn nhiệt:

- Nhiệt: Q = 0

- Nội năng và công: dU = Q + W = W = -PdV =

T

dT C

n V

T

T

P

nRT P

T

H T

G T

G T

G T

T

T T

2

1

1 2

2 1

298

T H

G T

1

.2

1

P

P P T P

P

P

G dP V dG

- Với chất rắn, lỏng  coi V = const khi P biến thiên (trừ miền áp suất lớn) thì:

1

P nRT G

b) Trộn lẫn đẳng nhiệt, đẳng áp 2 khí lí tưởng:

G = nA.RTlnxA + nB.RTlnxB

c) Quá trình chuyển pha thuận nghịch (tại nhiệt độ chuyển pha): Gcf = 0

d) Quá trình chuyển pha thuận nghịch ở T  T cf

Nguyên tắc: áp dụng chu trình nhiệt động Vì G là hàm trạng thái nên G chỉ phụ thuộc trạng thái đầu,trạng thái cuối, không phụ thuộc vào quá trình biến thiên

e) G của phản ứng hoá học: Go pư = G o S(sản phẩm) - G o

S(tham gia)

B - HỆ THỐNG CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP PHẦN “NHIỆT HÓA HỌC” :

Bài 1:

nhiệt động:

a) Nung nóng đẳng tích tới P = 1,5atm

b) Giãn đẳng áp tới V = 2V ban đầu

c) Giãn đẳng nhiệt tới V = 200l

d) Giãn đoạn nhiệt tới V = 200l

Chấp nhận rằng N2 là khí lí tưởng và nhiệt dung đẳng áp không đổi trong quá trình thí nghiệm và bằng29,1J/mol.K

2 1,29.28

100

T T V

V

= 29,1

28

100(2.273,15 – 273,15) = 28388,1(J)

1,29

P

C R

C C

H = nC T = P

28

100.29,1(189,33 – 273,15)= - 8711,3(J)

Bài 3:

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 25oC Cho biết:

Fe2+ (aq) Fe 3+ (aq) NO3 - (aq) NO(k) H2O(l)

Phương trình ion của phản ứng:

3Fe2+ (aq) + 4H + (aq) + NO3 - (aq)  3Fe 3+ (aq) + NO(k) + 2H2O (l)

H=3.H S o,298(Fe3+ ,aq)+H S o,298(NO)+2.H S o,298(H2O(l))–3.H S o,298(Fe2+ ,aq)-H S o,298 (NO3- , aq)

a) Tính U đối với mỗi phản ứng

b) Trong 2 dạng glucozơ, dạng nào bền hơn?

Giải:

1) H = U + P V = U + n.RT

Phản ứng trên có: n = 1-2 = -1  H = U – RT  H < U

2) C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O

(a): C than chì + O2(k)  CO2(k) H298o = -393,14(kJ)

(b): C kim cương + O2(k)  CO2(k) H298o = -395,03(kJ)

(c): 3As2O3 (r) + 3O2(k)  3As2O5(r) H298o = -811,34(kJ)

(d): 3As2O3 (r) + 2O3(k)  3As2O5(r) H298o = -1090,98(kJ)

2) Từ kết quả trên và các dữ kiện sau:

H(O –O) tính từ O2 = - 493,24kJ/mol; H(O –O) tính từ H2O2 = - 137,94kJ/mol

Chứng minh rằng: Không thể gán cho O3 cấu trúc vòng kín

Giải:

1)- Entanpi sinh của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn = 0

- Đối với những nguyên tố có nhiều dạng thù hình thì khi chuyển từ dạng này sang dạng khác bao giờcũng kèm theo 1 hiệu ứng nhiệt Hiệu ứng nhiệt của quá trình hình thành đơn chất (dạng thù hình kémbền) từ dạng thù hình bền ở điều kiện nhất định được coi là nhiệt sinh của đơn chất trong những điều kiệnđó

 H S o của O3 và kim cương là hiệu ứng nhiệt quy về điều kiện chuẩn của các quá trình:

2

3O2 O3(k) ; C than chì  C kim cương

- Lấy (a) – (b):

C than chì  C kim cương H S o(kc)= 1,89 kJ/mol

 O3 có cấu trúc vòng kín rất không bền  cấu trúc này không chấp nhận được.

Bài 6:

Entanpi sinh tiêu chuẩn của CH4(k) và C2H6(k) lần lượt bằng -74,80 và -84,60 kJ/mol Tính entanpi tiêuchuẩn của C4H10 (k) Biện luận về kết quả thu được Cho biết entanpi thăng hoa của than chì và năng lượngliên kết H- H lần lượt bằng: 710,6 và - 431,65 kJ/mol

 Năng lượng liên kết trung bình của liên kết C – H là:

4

1(-1648,7) = - 412,175 (J/mol)

* (4) 2C than chì + 3H2  C2H6(k) H S o(C2H6,K) = -84,6 (kJ/mol)

Lấy (4) – [2 (2) + 3.(3)] ta được:

2C(k) + 6H (k)  C2H6 (k) H S o ng tu C H

6 2

, / ,

, / ,

Lấy (2) 4 + (3).5 + (5) ta được:

4Cthan chì + 5H2(k)  C4H10(k) H S o C H

10 4

,

* Kết quả thu được chỉ là gần đúng do đã coi Elk(C – C), Elk(C- H) trong mọi trường hợp là như nhau Và vì vậy

sẽ không tính rõ được H S o của các đồng phân khác nhau

Bài 7: Tính Ho của các phản ứng sau:

1) Fe2O3(r) + 2Al(r)  2Fe(r) + Al2O3(r) ( 1)

Cho biết H S o,Fe2O3r) = -822,2 kJ/mol; H S o,Al2O3r) = -1676 (kJ/mol)

2) S(r) +

2

3

O2(k)  SO3(k) (2)

Biết (3) : S(r) + O2(k)  SO2(k) H298o = -296,6 kJ

(4): 2SO2(k) + O2(k)  2SO3(k) H298o = -195,96 kJ

Từ kết quả thu được và khả năng diễn biến thực tế của 2 phản ứng trên có thể rút ra kết luận gì?

Giải:

1) H o pu(1)= H S o,Al O - H S o,Fe O = -1676 + 822,2 = - 853,8(kJ)

dự đoán theo tiêu chuẩn này là đúng).

Bài 8:

1) Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích tiêu chuẩn của các phản ứng sau ở 25oC

a) Fe2O3(r) + 3CO(k)  2Fe(r) + 3CO2(k) H298o = 28,17 (kJ)

b) Cthan chì + O2(k)  CO2 (k) H298o = -393,1(kJ)

c) Zn(r) + S(r)  ZnS(r) H298o = -202,9(kJ)

d) 2SO2(k) + O2(k)  2SO3(k) H298o = -195,96 (kJ)

thấy có thoát ra một nhiệt lượng là 71,48 kJ Tính hiệu ứng nhiệt ở nhiệt độ đó Cho Zn = 65,38

Ta lấy: -5 (a) + [-5 (b)] + (c) + [-5.(d)] ta được:

CP = C P(NH3k) -

2

1

) (N2k P

2

3

) (H2k P

C

= - 24,7 + 37,48.10-3T -

2

1[27,8 + 4,184.10-3] -

2

3[28,6 + 1,17 10-3T]

3

210.541,311,32(

2 1000

298

3T T

= - 46,2.103 +31,541 10-3

2

1(10002 -1982) – 32,1(1000 – 298)= - 54364,183 (J/mol)

 Khi tổng hợp 17 kg NH3 thì nhiệt lượng toả ra là:

Tính năng lượng mạng lưới tinh thể BaCl2 từ 2 tổ hợp dữ kiện sau:

1) Entanpi sinh của BaCl2 tinh thể: - 859,41 kJ/mol

Entanpi phân li của Cl2: 238,26 kJ/mol

Entanpi thăng hoa của Ba: 192,28 kJ/mol

Năng lượng ion hoá thứ nhất của Ba: 500,76 kJ/mol

Năng lượng ion hoá thứ hai của Ba: 961,40 kJ/mol

ái lực electron của Cl : - 363,66 kJ/mol

2) Hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan 1 mol BaCl2 vào  mol H2O là: -10,16kJ/mol

Nhiệt hiđrat hoá ion Ba2+ : - 1344 kJ/mol

Nhiệt hiđrat hoá ion Cl- : - 363 kJ/mol

Trong các kết quả thu được, kết quả nào đáng tin cậy hơn

Bài 12:

Cho giãn nở 10 lít khí He ở 0oC, 10atm đến áp suất là 1atm theo 3 quá trình sau:

a) Giãn đẳng nhiệt thuận nghịch

b) Giãn đoạn nhiệt thuận nghịch

c) Giãn đoạn nhiệt không thuận nghịch

Cho nhiệt dung đẳng tích của He CV =

V

dV nRT dV

1

2

V V

.1

1 1

T R

V P

.R(T2 – T1)

U = W =

2

3

1

1 1

T

V P

(T2 – T1)Theo PT poisson: T.V- 1 = const

101



 1-



1- 35

53

32

1 2

2

P

nRT P

1

T

 T2 = 0,64T1

Nếu cho phản ứng đó xảy ra trong 1 nguyên tố ganvani ở P, T = const thì hoá năng sẽ được chuyển thànhđiện năng và sản ra công W’ = 109,622 kJ.

Hãy chứng tỏ rằng trong cả 2 trường hợp trên, biến thiên nội năng của hệ vẫn chỉ là một, còn nhiệt thìkhác nhau và tính giá trị biến thiên nội năng đó

Giải:

- Do U là hàm trạng thái nên U = U2 – U1 = const, cho dù sự biến đổi được thực hiện bằng cách nào Vìvậy U trong 2 trường hợp trên chỉ là một

- Vì U = Q + W = Q + W’ - PV = Q + W’ - n.RT

Do nRT = const; U = const

Nên khi W’ (công có ích) thay đổi thì Q cũng thay đổi

- U = H - nRT = -126,566 +

2

1 8,314 298,15.10-3 = - 125,327 (kJ)

Bài 14:

Tính công của sự biến đổi đẳng nhiệt thuận nghịch và bất thuận nghịch 42g khí N2 ở 300K khi:

a) Giãn nở từ 5atm đến 1atm

2 2

1

2 1

lnln

P

P nRT V

V nRT V

dV nRT

1

P P

1 1

11

P

P nRT P

P P

nRT

= 28

42.8,314 300.ln

nRT P

11

21

P

P

= 28

5

KL: - Công mà hệ thực hiện (sinh) trong quá trình biến thiên thuận nghịch từ trạng thái 1 đến trạng thái 2bằng công mà hệ nhận khi từ trạng thái 2 về trạng thái 1 Còn trong quá trình biến thiên bất thuận nghịchthì công hệ sinh nhỏ hơn công hệ nhận

- Trong sự biến thiên thuận nghịch thì hệ sinh công lớn hơn trong quá trình biến thiên bất thuận nghịch

Bài 15: Phản ứng: C6H6 +

2

15O2(k)  6CO2(k) + 3H2O

ở 300K có QP – QV = 1245(J) Hỏi C6H6 và H2O trong phản ứng ở trạng thái lỏng hay hơi?

Giải: