Kiến thức là vô bờ bến, chúng ta khó lòng nào mà nắm bắt, hiểu biết được tất cả mọi kiến thức trong cuộc sống, và trong môn hoá học cũng vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu , chuyên sâu mọi vấn đề sẽ rất khó khăn. Vì vậy, để tìm hiểu cặn kẽ một vấn đề nào trong các môn khoa học nói chung và môn hoá học nói riêng thì việc làm chuyên đề sẽ rất bổ ích. Các kì thi học sinh giỏi các cấp đang thu hút nhiều người quan tâm. Sở dĩ như vậy vì chúng kích thích việc cải tiến nội dung và phương pháp dạy và học bộ môn Hoá học ở trường phổ thông tại các trường theo hướng tiếp cận với phương pháp dạy học hoá học hiện đại.
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG THPT SÔNG CÔNG
S¸ng KiÕn Kinh NghiÖm
ĐỀ TÀI:
MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT PHẢN ỨNG DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MÔN HOÁ HỌC
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
Ngêi thùc hiÖn: NguyÔn ThÞ Thu Tæ: Hãa- Sinh- C«ng nghÖ
Năm h c 2012 – 2013 ọc 2012 – 2013
Trang 2CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
A Mở đầu
I Đặt vấn đề
II Phạm vi nghiên cứu III Phương pháp nghiên cứu
B Nội dung và tổ chức thực hiện
C Kết luận
D Tài liệu tham khảo
Trang 3A MỞ ĐẦU
I ĐẶT VẤN ĐỀ:
Kiến thức là vô bờ bến, chúng ta khó lòng nào mà nắm bắt, hiểu biết được tất cả mọi kiến thức trong cuộc sống, và trong môn hoá học cũng vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu , chuyên sâu mọi vấn đề sẽ rất khó khăn Vì vậy, để tìm hiểu cặn kẽ một vấn đề nào trong các môn khoa học nói chung và môn hoá học nói riêng thì việc làm chuyên đề sẽ rất bổ ích Các kì thi học sinh giỏi các cấp đang thu hút nhiều người quan tâm Sở dĩ như vậy vì chúng kích thích việc cải tiến nội dung và phương pháp dạy và học bộ môn Hoá học ở trường phổ thông tại các trường theo hướng tiếp cận với phương pháp dạy học hoá học hiện đại
Để có thêm tài liệu tham khảo cần thiết và sát với chương trình bồi dưỡng
học sinh giỏi ở các trường THPT Tôi đã tìm hiểu và đưa ra một chuyên đề: “Một
số bài tập về hiệu ứng nhiệt phản ứng dùng bồi dưỡng học sinh giỏi môn hoá học THPT ” Chuyên đề nhằm bồi dưỡng, rèn luyện nâng cao kiến thức để đạt kết
quả trong các kì thi học kì, thi học sinh giỏi các cấp … ; giúp các bạn học sinh ôn luyện, tổng kết và kiểm tra kiến thức của mình, nâng cao khả năng tự suy nghĩ, kĩ năng giải toán
II PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Tại trường THPT Sông Công
Áp dụng chủ yếu cho học sinh lớp 10 khi học nhiệt phản ứng
Bồi dưỡng học sinh giỏi
III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong đề tài này sẽ đưa ra những tài liệu lý thuyết liên quan cơ sở của phản ứng toả nhiệt, phản ứng thu nhiệt Ngoài ra, chuyên đề còn đưa ra cách tính hiệu ứng nhiệt của một số phản ứng Bài tập chiếm một phần lớn bao gồm những dạng bài tập liên quan đến cách xác định phản ứng toả nhiệt, phản ứng thu nhiệt, cách tính hiệu ứng nhiệt Tất cả sẽ được giới thiệu rõ kèm theo rõ kèm theo bài giải để ta dễ hình dung và tìm ra phương pháp giải hay và phù hợp cho những dạng bài này Ngoài ra còn bổ sung một số bài tập để có thể tự tham khảo
Trang 4B NỘI DUNG VÀ TỔ CHỨC THỰC HIỆN
I NGUYÊN TẮC
Nhiệt phản ứng
Quá trình hoá học cũng như quá trình biến đổi hoá vật lý của chất như bay
hơi,nóng chảy…luôn kèm theo hiện tượng phát ra hay thu vào một năng lượng ở dạng này hoặc dạng khác thường là dạng nhiệt Để so sánh những biến đổi năng lượng dưới dạng nhiệt trong phản ứng hoá học người ta dùng đại lượng nhiệt phản ứng tức là lượng nhiệt thoát ra hay thu vào trong một phản ứng hoá học Ngành hoá học nghiên cứu về nhiệt cuả phản ứng hoá học và nhiệt của các quá trình biến hoá chất từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác được gọi là ngành nhiệt hoá học
Đầu tiên các em phải nắm được các kiến thức sau:
1 Khí lý tưởng: là khí mà khoảng cách giữa các phân tử khí xa nhau đến mức ta
có thể bỏ qua sự tương tác giữa chúng (khí có áp suất thấp)
Phương trình trạng thái khí lý tưởng dùng cho n mol khí: PV = nRT
(P là áp suất khí - Pa hoặc N/m2 ; V là thể tích khí - m3 ; T là nhiệt độ khí - K ;
R là hằng số khí lý tưởng - R = 8,314 J K1 mol1
= 1,987 cal K1 mol1 do 1 cal = 4,19 J
= 0,082 lít atm K1 mol1 do 1 lít atm =
101,325 J )
Trong đó: P1V1 = n1RT1 ; P2V2 = n2RT2 và v.v
2 Nhiệt phản ứng:
a) Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt:
Phản ứng nhường nhiệt lượng cho môi trường gọi là phản ứng tỏa nhiệt: H < 0 Phản ứng thu nhiệt lượng của môi trường gọi là phản ứng thu nhiệt: H > 0 b) Nhiệt sinh chuẩn của một chất: là nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền ở 1atm và 298K
Ví dụ: C(r) + O2 (k) CO2 (k) có H0
298,s= 393,51 kJ mol1
Trang 5c) Nhiệt cháy chuẩn của một chất; là nhiệt của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol chất đó bằng oxi tạo thành các oxit bền với hóa trị cao nhất
Ví dụ: CH4 (k) + 2O2 (k) CO2 (k) + 2H2O (l) có H0
298,C (CH4) = 890,34
kJ mol1
d) Định luật Hess: Nhiệt phản ứng được thực hiện ở V=const hoặc P=const (không thực hiện công nào khác ngoài công cơ học) chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu (của các chất phản ứng) và trạng thái cuối (của các sản phẩm phản ứng) mà không phụ thuộc vào các trạng thái trung gian (tức là không phụ thuộc vào quãng đường chuyển trạng thái đầu đến trạng thái cuối)
Ví dụ: C(r) + O2 (k) CO2 (k)
H
H1 H2
CO (k) + 1
2 O2 (k) Theo định luật Hess: H = H1 + H2 Sơ đồ trên gọi là Chu trình Born - Haber
Hệ quả của định luật Hess:
+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch nhưng ngược dấu
+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các sản phẩm trừ đi tổng nhiệt sinh của các chất phản ứng (trong đó nhiệt sinh của các đơn chất được coi= 0)
Ví dụ: CH4 (k) + 2O2 (k) CO2 (k) + 2H2O (l)
có H0
298,C (CH4) = [H0
298,s (CO2) + H0
298,s (H2O)] H0
298,s (CH4 )
+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng cháy bằng tổng nhiệt cháy của các chất phản ứng trừ đi tổng nhiệt cháy của các sản phẩm (trong đó nhiệt sinh của các đơn chất được coi = 0)
e) Năng lượng liên kết: là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học
3 Hai cách tính Nhiệt phản ứng:
Cách 1: Dựa vào định luật Hess H = H1 + H2 (xây dựng chu trình động học)
Trang 6hoặc tổ hợp các cân bằng: C(r) + 1
2 O2 (k) CO (k) H1
CO (k) + 1
2 O2 (k) CO2 (k) H2 Phương trình tổ hợp: C(r) + O2 (k) CO2 (k) H
Cách 2: Tính tổng năng lượng liên kết của các chất phản ứng (kết quả mang dấu + vì đó là nhiệt lượng thu vào)
Tính tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm phản ứng (kết quả mang dấu vì đó là nhiệt lượng tỏa ra)
tổ hợp hai kết quả tính được chính là Hiệu ứng nhiệt của phản ứng
II MỘT SỐ VÍ DỤ CỤ THỂ
Ví dụ 1 Tính hiệu ứng nhiệt ∆H của các phản ứng sau, mỗi phản ứng tính theo 2
cách: theo năng lượng liên kết và theo nhiệt tạo thành
a) CH4 (k) + 4Cl2 (k) CCl4(k) + 4HCl(k)
b) 2Cl2 (k) + 2H2O (k) 4HCl(k) + O2(k)
Bi t: ết:
O2: 498,7
H2O: 925,95
Tính ∆H của phản ứng:
a) CH4 (k) + 4Cl2 (k) CCl4(k) + 4HCl(k)
Dựa vào năng lượng liên kết
Tổng năng lượng của các chất phản ứng là
∆H=(4 x 414 + 4 x 242,6 ) – (4 x 326,3 + 4 x 431) = - 402,8 kJ/mol
Dựa vào nhiệt tạo thành:
∆H=(-108,5+4(-92,3) ) – (-74,9) = - 402,8 kJ/mol
b) 2Cl2 (k) + 2H2O (k) 4HCl(k) + O2(k)
Trang 7 Dựa vào năng lượng liên kết
∆H=(2 x 242,6 + 2 x 925,95 ) – (4 x 431 + 498,7) = 114,4 kJ /mol
Dựa vào năng lượng tạo thành:
∆H= (4 x (-92,3) ) – (2 x (-241,8)) = 114,4 kJ/mol
a) ∆H<0 phản ứng toả nhiệt
b) ∆H>0 phản ứng thu nhiệt
Ví dụ 2 Từ thực nghiệm thu được trị số H(Kcal.mol-1) phân ly từng liên kết ở
250 C :
Hãy giải thích cách tính và cho biết kết quả tính H (cũng ở điều kiện như trên) của sự đồng phân hóa: CH3CH2OH (hơi) CH3-O-CH3 (hơi)
Giải: CH3CH2OH có 1 liên kết C C ; 1 liên kết C O ; 1 liên kết O H và 5 liên kết C H
Tổng năng lượng liên kết của các chất phản ứng là:
83 + 84 + 111 + (5 99) = + 773 Kcal.mol-1
CH3-O-CH3 có 2 liên kết C O ; 6 liên kết C H
Tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm phản ứng là:
(2 84) (6 99) = 168 594 = 762 Kcal.mol-1
Vậy, Hiệu ứng nhiệt của phản ứng = + 773 762 = + 11 Kcal.mol-1
Phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt
Ví dụ 3 Xác định nhiệt hình thành 1 mol AlCl3 khi biết:
Al2O3 + 3COCl2(k) 3CO2 + 2 AlCl3 H1 = 232,24 kJ
CO + Cl2 COCl2 H2 = 112,40 kJ
2Al + 1,5 O2 Al2O3 H3 = 1668,20 kJ
Nhiệt hình thành của CO = -110,40 kJ/mol
Nhiệt hình thành của CO2 = -393,13 kJ/mol
Nhiệt hình thành 1 mol AlCl3 là nhiệt của quá trình
Trang 8Al + 1,5 Cl2 AlCl3
Để có quá trình này ta sắp xếp các phương trình như sau:
Al2O3 + 3COCl2(k) 3CO2 + 2 AlCl3 H1
3CO + 3Cl2 3COCl2 3H2
2Al + 1,5 O2 Al2O3 H3
3C + 1,5 O2 3CO 3H4
và 3 CO2 3C + 3 O2 3(-H5 )
Sau khi tổ hợp có kết quả là: 2Al + 3 Cl2 2AlCl3 Hx
và Hx = H1 + 3H2 + H3+ 3H4+ 3(-H5 )
= (-232,24) + 3(-112,40) + (-1668,20) + 3(-110,40) + 3(393,13) =
1389,45 kJ
Vậy, nhiệt hình thành 1 mol AlCl3 = 1389,45 : 2 = 694,725 kJ/mol
Ví dụ 4 Tính nhiệt phản ứng ở 250C của phản ứng sau:
CO(NH2)2(r) + H2O(l) CO2(k) + 2NH3(k)
Biết trong cùng điều kiện có các đại lượng nhiệt sau đây:
CO (k) + H2O (h) CO2 (k) + H2 (k) H1 = -41,13 kJ/mol
CO (k) + Cl2 (k) COCl2 (k) H2 = -112,5 kJ/mol
COCl2 (k) + 2NH3 (k) CO(NH2)2(r) +
2HCl(k)
H3 = -201,0 kJ/mol
Nhiệt hóa hơi của H2O(l) H5 = 44,01 kJ/mol
Để có phương trình theo giả thiết, ta sắp xếp lại các quá trình đã cho kèm theo các đại lượng nhiệt tương ứng rồi tiến hành cộng các phương trình như sau:
CO (k) + H2O (h) CO2 (k) + H2 (k) H1
COCl2 (k) CO (k) + Cl2 (k) -H2
CO(NH2)2(r) + 2HCl(k) COCl2 (k) + 2NH3 (k) -H3
Trang 9H2 (k) + Cl2 (k) 2HCl(k) 2H4
H2O(l) H2O (h) H5
Sau khi cộng ta được phương trình như giả thiết ta được:
Hx = H1 - H2 - H3 + 2H4 + H5
= -41,13 + 112,5 + 201 - 184,6 + 44,01 = 131,78 kJ/mol
Ví dụ 5 Cho Xiclopropan Propen có H1 = - 32,9 kJ/mol
Nhiệt đốt cháy than chì = -394,1 kJ/mol (H2)
Nhiệt đốt cháy Hidrro = -286,3 kJ/mol (H3)
Nhiệt đốt cháy Xiclopropan = - 2094,4 kJ/mol (H4)
Hãy tính: Nhiệt đốt cháy Propen, Nhiệt tạo thành Xiclopropan và nhiệt tạo thành Propen?
Có thể thiết lập chu trình Born-Haber để tính toán ở đây nếu dùng phương pháp
tổ hợp cân bằng nói trên thì dễ hiểu hơn:
a/ Ta có: Phương trình cần tính là
CH2=CH-CH3 + 4,5O2 3CO2 + 3H2O H5 = ?
phương trình này được tổ hợp từ các quá trình sau:
CH2=CH-CH3 C3H6 xiclo (-H1)
C3H6 xiclo + 4,5O2 3CO2 + 3H2O H4
Cộng 2 phương trình này ta được phương trình cần tính H5 =H4-H1
Vậy, nhiệt đốt cháy propen = - 2094,4 -(-32,9) = - 2061,5 kJ/mol
b/ Tương tự: 3 ( C + O2 CO2 H2 )
3 ( H2 + 21 O2 H2O H3 )
3CO2 + 3H2O C3H6 xiclo + 4,5O2 (-H4 )
Tổ hợp được 3C + 3H2 C3H6 xiclo H6 = 3H2 + 3H3 - H4
H6 = 3(-394,1) + 3(-286,3) - (-2094,4) = 53,2 kJ/mol
c/ Tương tự nhiệt tạo thành propen là:
Trang 10H7 = 3H2 + 3H3 - H5 = 20,3 kJ/mol
BÀI TẬP ÁP DỤNG:
Bài 1: Tính nhiệt phản ứng:
8 Al (r) + 3 Fe3O4 (r) 9 Fe(r) + 4Al2O3 ( r )
Biết nhiệt tạo thành của Fe3O4 và Al2O3 tương ứng là 1117 kJ/mol và 1670 kJ/mol
Bài 2: Tính H của phản ứng :
C2H2 (k) + 2 H2 (k) C2H6 (k)
Theo 2 cách sau:
a) Dựa vào năng lượng liên kết
b) Dựa vào nhiệt tạo thành
C KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Với thực tế bài tập hóa học rất phong phú và đa dạng nhưng thời gian luyện tập trên lớp còn ít, đặc biệt với bài tập hiệu ứng nhiệt phản ứng thì thời gian luyện tập ở trên lớp là không có Để giúp học sinh rèn luyện kĩ năng trong quá trình
Trang 11luyện tập giỏo viờn cần chỳ ý hướng dẫn học sinh phõn loại bài tập, nắm chắc kiến thức và rốn luyện thường xuyờn để khắc sõu, với từng loại bài tập để rỳt kinh nghiệm cho bản thõn
Hướng dẫn học sinh nắm vững hệ thống kiến thức, sau mỗi giờ học cú thủ thuật giỳp học sinh nhớ bài
Trang bị cho học sinh cỏc kiến thức và phương phỏp giải toỏn cơ bản để học sinh cú thể tự mỡnh làm cỏc dạng toỏn khú
Qua quỏ trỡnh luyện học sinh giỏi phần hiệu ứng nhiệt tụi thường giảng dạy cho học sinh bằng phương phỏp trờn tụi thấy học sinh hiểu bài và vận dụng tốt Trờn đõy là một số bài tập về nhiệt phản ứng Hy vọng sỏng kiến kinh nghiệm của tụi sẽ phần nào giỳp được cỏc em học sinh cú những kiến thức bổ ớch khi ụn luyện học sinh giỏi Rất mong cỏc đồng nghiệp gúp ý, bổ sung để cho đề tài được hoàn thiện hơn
Tụi xin chõn thành cảm ơn
Duyệt của hội đồng khoa học cơ sở Sông Công, tháng 5 năm 2013
Ngời viết
Nguyễn Thị Thu
Trang 12D TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Sách giáo khoa Hóa học 10 Nâng cao, sách giáo viên Hóa học 10 Nâng cao, tài liệu chuẩn kiến thức kỹ năng hóa học.- Nhà xuất bản giáo dục
2 Hóa học vô cơ – Hoàng Nhâm - Nhà xuất bản giáo dục 2000
3 Đề thi học sinh giỏi 10
4 Sách bồi dưỡng học sinh giỏi hoá học 10 Đào Hữu Vinh
5.Tuyển tập đề thi olympic 30-4- Nhà xuất bản Đại học Sư Phạm