Bài tập Hóa học đại cương - Hóa học lý thuyết cơ sở

Đế làm được các dạng bài tập người học phải hiểu kỹ lý thuyết và biết cách vận dụng nó vào từng trường hợp cụ thể, k ể cả các phép chuyển đổi đơn vị tính lẫn thủ thuật giải toán.. Các đạ

LÂM N G Ọ C THIẾM (Chủ biên)

TRẦN HIỆP HẢI

(Hoá học lý th u y ế t cơ sỏ)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

LÂM NGỌC THIỂM (Chủ biên)

TRẦN HIỆP HẢI

BÀI TẬP

HÚA HỌC DẠI CUDNG

(Hóa học lý thuyết cơ sỏ)

(In lần thứ III có sửa chữa và bổ sung)

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Lời N ói ĐẦU

Thông thường giữa lý thuyết và bài tâppj của một môn học bao giờ cũng được gắn kết chặt chẽ với nhau Đế làm được các dạng bài tập người học phải hiểu kỹ lý thuyết và biết cách vận dụng nó vào từng trường hợp cụ thể, k ể cả các phép chuyển đổi đơn vị tính lẫn thủ thuật giải toán.

Cuốn B à i tâ p hóa hoc đ a i cương (H óa hoc lý th u yết

cơ sở) nhằm đáp ứng các yêu cầu này.

Sách gồm 17 chương gồm hầu hết các vấn đề lý thuyết cơ

sở của hóa học và được trình bày dưới dạng bài tập ơ môi chương chúng tôi lại phân làm 3 phần nhỏ:

Trong chương cuối cùng của sách chúng tôi trích dẫn một sô đề thi tuyển sinh và đáp án của môn học này nhằm giúp cho bạn đọc dễ hình dung về một đề thi tổng hợp và cách giải quyết nó.

Nội dun g cuốn bài tập được biên soạn theo đ ú n g chương trình chuẩn đã được hội đồng chuyên ngành Đ ại học Quốc gia

H à N ội thông qua.

Các tác giả và N h à xuất bản rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp của độc giả đê lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn.

C ác tá c g iả

M Ụ C L Ụ C

Trang

Khái niệm vể thứ nguyên, đcin vi 7

Chương I. Một số’ khái niệm chung 13

Chương II. Nguyên lý I của nhiệt động lực học Nhiệt hóa học 25

Chương III. Nguyên lý II của nhiệt động lực học 45

Chương IV. Cân bằng hóa học 59

Chương V. Dung dịch 83

Chương VI. Động hóa học 119

Chương VII. Điện hóa học 139

Chương VIII. H ạt n h ân nguyên tử 161

Chương IX. ,,\ Cấu tạo nguyên tử theo quan điểm cơ học lượng tử 171

Chương X. Nguyên tử hidro 179

Chương XI. Nguyên tử nhiều electron 193

Chương XII. Hệ thống tu ầ n hoàn các nguyên tố hóa học 203

Chương XIII. Các khái niệm chung về liên kết th u y ết VB 215 Chương XIV. T huyết MO vê liên k ế t 243

Chương XV. L iên k ế t giữa các p h â n tử và tro n g phức

c h ấ t * 263

ChươngXVI. Liên k ế t hóa học tro n g tin h th ể 279

Chương XVII. M ột số đề th i và hướng d ẫn giải m ôn hóa

học lý th u y ế t 299

KHÁI NIỆM v i THỨ NGUYÊN, DON VỊ

I T hứ n g u y ên Các đại lượng (vật lý) cần đo thường được

viết dưới dạng một biểu thức toán học và được biểu diễn bằng một phương trìn h th ứ nguyên Phương trìn h thứ nguyên có thể xem như một biểu thức toán và được biểu diễn bằng các đại lượng cơ sở dưới dạng một tích số)

T ất cả các thứ nguyên của những đại lượng cần đo trong cơ học đều x u ất p h át từ 3 đại lượng cơ sở là: Chiều dài: L; khôi lượng: M; thời gian: T Các đại lượng này lập th àn h hệ L.M.T

Các đơn vị đo được xác địn h bởi m ẫu ch u ẩn lưu giữ tại viện cân đo quốc tế Ví dụ m ét là đơn vị đo chiều dài.

Độ lớn của m ột đại lượng v ậ t lý cụ th ể m à theo qui ưóc lấy giá trị bàn g sô là 1 được gọi là đơn vị của đại lượng v ậ t lý đó Ví dụ: mét, kilogam Tập hợp các đơn vị làm th à n h m ột hệ đơn vị

Đã có một số hệ đơn vị thông dụng như: hệ MKS (mét, kilogam, giây); hệ CGS (xăngtim ét, gam, giây)

Trong thự c tế, do thói quen, ở từ ng địa phương, từ n g vùng

lã n h thổ, ngay cả từ n g quốc gia người ta sử dụng n h ữ n g đơn vị

r ấ t khác n h a u cho cùng m ột đại lượng đo

Ví d ụ đơn vị ch u n g cho chiều dài là m ét, song người Anh lại dùng Insơ (Inch), p h ú t (foot), trong khi đó người V iệt lại dùng trượng, gang, tấc

Rõ rà n g cách dùng này đã gây khó k h ă n tro n g giao lưu quôc tê Vì vậy cần có m ột đơn vị quốc tế chung

III H ệ đ ơ n v ị SI N h ận th ấ y sự b ấ t lợi vể việc sử dụng hệ

đơn vị tù y tiện n ên vào th á n g 10-1960 tạ i Hội nghị lầ n th ứ XI về cân đo quôc tê họp ở P aris, các n h à khoa học đã đi đến thông

n h ấ t cần xây dựng một hệ thông đơn vị chung quốc tế Đó là đơn

vị SI (Viêt tắ t từ chữ P h áp - Systèm e In tern atio n al)

Dưới đầy chúng tôi lược ghi một sô chỉ d ẫ n q u an trọ n g n h ấ t thuộc hệ SI có liên q u an đến việc sử dụng cho các bài tậ p hóa đại cương

tức là m uôn so sá n h đại lượng đó vối đại lượng cùng loại lấy làm

ch u ẩn để so sá n h gọi là đơn vị đo

7 đơn vị chính thuộc hệ SI

I I L l H ệ đ ơn v ị cơ sở

Tiêng Việt Tiếng Anh

III.2 M ột sô" đơn vị SI d ẫn xuất hay d ù ng

Từ 7 đơn vị cơ sở nêu trên người ta còn có thể định nghĩa

m ột số’ đơn vị dẫn xu ất thường dùng trong hệ SI Ví dụ:

- Đơn vị lực Đó chính là lực tác dụng lên một v ật có khôi lượng lk g gây ra một gia tốc bằng lm /s2 Đơn vị dẫn xuất thu được ở đây gọi là Newton (N)

IN = lkg.m s“2

- Đơn vị áp suất Trong đơn vị SI, áp su ât là Pascal (Pa)

Áp s u ấ t th u được là do lực tác dụng lên 1 đơn vị diện tích

lP a = lực/diện tích = = kg m s“2 / m 2 = kgm-“1 s-2

m 2Dưới đây là một số đơn vị dẫn xuất hay dùng

lượng Tiếng

Việt

TiếngAnh

hiệu định nghĩa

2 Áp su ất Patean Pascal Pa kgm“V 2(N/m2)

3 N ăng lượng J u n Joule J k g m V 2

4 Công s u ấ t O át W att w kgm 2s‘1(i /s)

' 1 0 m

1 0 '9m 1Gf1°m

III.4 Q uan h ệ giữa th ứ n gu yên và m ột sô đơn vị th ư ờn g d ù n g

N° Đại lượng Phương

trìn h

Thứnguyên

III.5 C ác bậc b ội, bậc ước so với đơn vị cơ sở

Khi sử dụng hệ SI người ta thường lấy các bậc giản ước là đơn vị bậc bội 10n hay đơn vị bậc ước 10"n với n là sô" nguyên Bảng dưới đây ghi lại cách dùng này

Bậc bội

Chương I

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG

A TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Theo Rutherford (<Ỉ911) thì nguyên tử được cấu thành

tó i h ạ t n h ân gồm proton p, và nơtron (n); lớp vỏ gồm các electron quay quanh h ạ t nhâp

Vậy nguyên tử gồm:

- H ạt n h ân với sô' proton là z, điện tícìi q=Ị,6.10"19C và N

là nơtron Hai đại lượng này được liên hệ với nhau bằng sô' khôi

A theo hệ thức A = N + z

- Lớp vỏ nguyên tử gồm các electron Electron có điện tích đứng bằng điện tích proton nhưng ngược dấu và khôi lượng electron chỉ bằng 1/1836 khôi lượng proton, nghĩa là khôi lượng tập trung ỏ hạt nhân

2 Đôi với nguyên tử, người ta ít dùng đơn vị kg mà dùng đơn vị khôi lượng nguyên tử (u) Đơn vị này được định nghĩa như sau:

u = — m 12 = — — —-.- kg = l,66.10'27kg

3 Mol là lượng ch ất chứa cùng một số p h ần tử cấu trú c

như 1 mol nguyên tử H, 1 mol p h â n tử Họ, 1 mol ion H + Từ đó suy ra:

- Sô" p h ầ n tử cấu trú c có tro n g 1 mol của ch ất ch ín h là hằn g sô"Avogađro: N A = 6,022.1023m o r 1

4 Q uan hệ giữa khối lượng tương đôi (kltđ) và khôi lượng

tu y ệ t đôi (KLTĐ):

KLTĐ = t i ! í _

NaXác đ ịn h khôi lượng p h â n tử theo tỷ khối của c h ấ t khí

5. Tỷ khối d của kh í A đốì với k h í B là d = Ma

Ma, Mb - khối lượng p h ân tử của A, B

Khi B là không k h í thì d =

29

6 Xác đ ịn h khối lượng p h â n tử theo th ể tích mol.

Công thức Boyle M ariotte:

p, V, T - áp su ất, th ể tích, n h iệt độ ở điều kiện th í nghiệm

p 0, Vo, T o - ứng với điều kiện tiêu chuẩn: 760m m H g;22,4L;273K

7 Phương trìn h trạ n g th á i của ch ất k h í lý tưởng

PV = nR T = — RT

M

n - sô mol khí; m - khối lượng k h í tín h b ằn g gam (g); M - khôi lượng của m ột mol khí

hoặc p = RT = — RT

d - khôi lượng riêng của khí

8 Nếu có một hỗn hợp khí lý tưởng ở nhiệt độ T có thê tích

V th ì áp su ất toàn phần PT của hệ được xác định theo định lu ật

n; - Sô" mol khí i trong hỗn hợp

B- BÀI TẬ P CÓ LỜI GIẢI1.1 Hãy điền các sô" liệu cần th iết ở những ô trống trong bảng sau đây:

Kí hiệu nguyên tô" 15vN 1880 19 T n

1.2 1) Trong m ột th í nghiệm điện p h â n người ta th u được 27g nước Hỏi:

a) Có bao n h iêu mol H 20 ?

b) Có bao n h iêu nguyên tử hiđro?

2) B iết rằ n g khôi lượng nguyên tử tương đối của oxi là 15,99944 Tính khối lượng nguyên tử tuyệt đối của nguyên tử này

Cho Na = 6,0 2 2 1023m o l'1

BÀI GIẢI

1) m - M n suy r a n = = 1 5mol HọO

M 18Vậy số p h â n tử H 20 là: 1,5.6,022.1023 = 9,0345.1023 p h ân

tử Trong m ột p h â n tử H20 th ì nguyên tử H = 2 X s ố p h ân tử H20

Vậy sô" nguyên tử H là:

9 ,0 3 4 5 1023.2 = 18,069.1023 n g u y ên tử

2) Khối lượng nguyên tử tu y ệ t đối của oxi được tính:

m(KLTĐ) = 15,9994* = 2 6 ,5 6 4 10~24g

6,022 ỈO231.3 Trong nh iều phép tín h ngưòi ta thường sử dụng hằn g

số kh í R H ãy xác đ ịn h h ằn g sô" đó ở các hệ đơn vị khác nhau.à) T ro n g h ệ dơn vị SI

b) Theo đơn vị ệ a l.K ^ m o r1

c) Theo đơn vị átm L.K hm ol'1

R = 8,314J.K ‘1moT1b) Do lc a l = 4,184J nên giá trị R là:

R = = 1,987 cal.K"'.m oT14,184

c) R = 1—- - = 0,082 atm L.K Tm ol'1

273,15

1.4 Một nguyên tử X có bán kính là 1,44Ẳ , khôi lượng riêng thực tin h th ể là 19,36g/cm:! Nguyên tử này chỉ chiếm 74%

th ể tích của tin h thể, phần còn lại là rỗng Hãy:

a) Xác định khôi lượng riêng trung bình của toàn nguyên

tử rồi suy ra khôi lượng mol nguyên tử

b) Biết nguyên tử X có 118 nơtron và khối lượng mol nguyên tử bằng tổng số’ khôi lượng proton và nơtron Tính số

proton

BÀI GIẢIa) Khôi lượng riêng tru n g bình của nguyên tử X là:

Từ biểu thức này ta suy ra số h ạ t proton cần tìm : m p = 79.

1.5 1) Trong sô" các h ạ t n h â n nguyên tử của nguyên tô' thì chì (ẩ27P b ) có tỷ sô' N/Z là cực đại và heli ( 2H e) có N/Z là cực

tiểu H ãy th iế t lập tỷ sô" N/Z cho các nguyên tô" với 2 < z< 82.

2) M ột nguyên tử X có tổng số các h ạ t là 58, số khối của nó

nhỏ hơn 40 H ãy xác địn h sô proton, sô' electron và số nơtron của

nguyên tử đó

BAI GIAI Theo hệ thức A - z + N ta có th ể suy ra N = A - z Vậy:

1) Tỷ sô' — của chì (s27P b ) là:

¿J

N _ 2 0 7 -8 2

z 82 = 1,524 (cực đại)

N 2

T ỷ s ô c ủ a h e li |H e là: — = — = 1 (cực tiểu)

21 2Vậy tỷ sô' — cho các nguyên tô" 2 < z <82 là:

1.6 Trong một th í nghiệm quang hợp, khí oxi sinh ra, được

th u qua nưốc Thể tích khí th u được ở điều kiện 22°c và dưới áp

s u ấ t khí quyển 758mmHg là 186mL Tính khôi lượng oxi biết

rằn g áp s u ấ t hơi nước ỏ 22°c là 19,8mmHg

BÀI GIẢI

Trước h ế t h ãy tín h áp s u ấ t riên g của oxi Vì áp s u ấ t chung

b ằn g tổng áp s u ấ t riên g của từ n g chất, nên

p 0 = P T - P H.o = 758 - 19,8 = 738,2 m m H g = 0,971 atm

Khối lượng oxi được tín h từ phương trìn h trạ n g th á i của

k h í lý tưỏng:

P V = — RT M _ PVM _ 0,971.0,186.32 _ - oon

m = = - —r=r-—r — = 0,239g

RT 0,082.(273 + 22)

1.7 7 kg oxi được ch ứ a tro n g m ột b ìn h cầu dưới áp s u ấ t

35 atm S a u m ột th ờ i g ian sử dụng, áp s u ấ t đo được là 12atm

Hỏi đã có bao n h iê u k ilôgam oxi đã th o á t ra

-ở đây V là th ể tíc h của b ìn h cầu

Vì d V = m ; m là khôi lượng khí; n ên

mi _ P ị

m 2 P2

T h ay I»! = 7kg; Pj = 35atm ; P 2 = 12atm vào phương

tr ìn h trê n ta được

mọ = m jP 2 _7.12

pT " 35 2,4kgVậy lượng oxi đã th o á t ra trong quá trin h sử dụng hằng:

7 - 2,4 = 4,6 kg

1.8 Một bìn h dung tích 247,2 cm '\ có khôi lượng 25,201g chứa không khí Một lượng benzen được đưa vào bình rồi đun

nóng tới 100°c B enzen bay hơi kéo theo toàn bộ không khí ra

khỏi bình Người ta để bình nguội trở lại ở nh iệt dộ phòng, ỏ

tro n g trạ n g th á i mở rồi cân Khôi lượng lúc này là 25,81 7g Áp

s u ấ t khí quyển là 742mmHg Tính khôi lượng mol của benzen

và viết công thức p h â n tử benzen biết rằn g ch ất này chỉ gồm

h ai nguyên tô' cacbon và hiđro

BÀI GIẢI

Từ các giá trị của p, V và T cộ th ể tìm được số mol bezen

và từ khối lượng của bình trước và sau khi chứa hơi benzen

có th ể tìm được khôi lượng m của benzen

Khối lượng bezen = (khôi lượng bình + khối lượng không

khí + khôi lượng hơi ngưng tụ) - (khôi lượng bình + khối lượng

không khí)

= 25,817 - 25,201 = 0,616gKhôi lượng mol M = — = 0,616/7,88.10’3 = 78,2 g/mol

n

Công th ứ c củ a b ezen (CH )X : X = — — « 6

V ậy b e n z e n có công th ứ c CtíH 6

c - BÀI TẬP T ự GIẢI

1.9 1) T ín h kh ố i lượng mol n g u y ên tử của Mg; p nếu

b iế t khôi lượng tu y ệ t đối (KLTĐ) của ch ú n g là: m Mg =

4 0 ,3 5 8 10_27kg; m,, = 51,417.10~27kg

2) Xác đ ịn h khôi lượng tu y ệ t đối của N và AI nêu b iê t

kh ô i lượng tư ơ n g đối (kltđ) của c h ú n g là: M N = 14,007u; M Aj = 26,982u

Đáp số: 1) M Mg = 24,307 g/mol

Mp = 30,986 g/mol.2) m N = 2 3 ,2 5 5 1 0 '2‘1g

m Ai = 44,7 9 8 1 0 ‘24g

1.10 N g u y ên tử bạc (Ag) có khôi lượng mol n g u y ê n tử và khôi lượng riê n g tr u n g b ìn h lầ n lượt b ằ n g 107,87 g/mol và 10,5 g/cm :! B iết n g u y ên tử n ày chỉ chiếm 74% th ể tích của tin h thể H ãy xác đ ịn h b án kín h nguyên tử của bạc (Ag) theo A°

Đ áp số: r Ag = 1,444A°.1.11 Đối với n g u y ên tử kẽm (Zn) người ta b iế t b á n k ín h ngu y ên tử v à khôi lượng mol ngu y ên tử lầ n lượt có các giá trị

là 1,38A°; 65g/mol

a) Xác đ ịn h khôi lượng riê n g tru n g b ìn h của Zn (g/cm:ì)b) B iêt Zn khô n g p h ả i là khôi đặc m à có k h o ả n g rỗng

n ê n tro n g thự c t ế nó chỉ chiếm 72,5% th ể tích củ a tin h th ể

H ãy cho b iê t khôi lượng riê n g th ự c của Zn là bao n h iêu ?

Đ áp số: a) 9,81 g/cm 3; b) 7,11 g/cm 3

1.12 Kim loại M tác dụng vừa đủ với 4.032/ khí Cly ở

điều kiện tiêu chuẩn thvi được 16,02 g MCI.} theo phương trình:

2M + 3C1, = 2MC1,a) Xác định khôi lượng nguyên tử của kim loại M

b) T ín h khôi lương riêng của M; suy ra tỷ lộ ph ần tră m của th ể tích thực với th ể tích của tin h thể Biết M có bán kính

r = 1,43A°; khôi lượng riêng thực là: 2,7 g/cm3

Đáp số: a) M = 27 b) d = 3,66 g/cm3; %: 73%

1.13 Một cách gần đúng giữa bán kính h ạ t nh ân r n và sô

khôi A của một nguyên tử có hệ thức: r n = 1.8.1 0 '13 A1/:icm Hãy xác định khốỉ lượng riêng d(g/cm3) của h ạt nhân nguyên tử

Đáp số: d = 6 ,8 0 1 0 '3 g/cm3

1.14 Dựa vào định ng h ĩa hãv xác địn h khối lượng

nguyên tử ra kg cho một đơn vị khôi lượng nguyên tử (lu ) Từ

k ết qu ả tín h được, h ãy suy ra khối lượng nguyên tử tu y ệ t dôi của oxi, b iết oxi có khôi lượng nguyên tử là 15,9974 u

Đ áp số: lu = l,66.10"27kg; m,)X, = 26,567.10'“'*g

1.15 Một nguyên tử X có tổng số’ các loại h ạ t là 193,

tro n g đó số proton là 56

a) H ãy xác định số khôi của X

b) T ín h khôi lượng nguyên tử và khôi lương h ạt nhân của nguyên tử X vừa tìm được Cho biết tỷ sô khôi lượng này

từ đó nêu n h ậ n xét cần th iết Các giá trị khối lượng của p, n, e xem ở bản g p h ụ lục (cuối sách)

Đáp số: a) Ax = 137 b) m n/tử = 229,3579.10‘27kg mh/nhAn = 229,3070.10‘“"kg

- ^ j ứ ỉ L - = 1,00022

^h/nhảnKhôi lượng nguyên tử h ầ u như tập tru n g ở h ạ t nhân

1.16 H oàn th à n h số’ liệu ghi tro n g b ả n g dưới đây

1.17 M ột quả bóng có độ đ àn hồi cao, có th ể tích b an đầu

1,2 lít ở 1 a tm và 300°K Q uả bóng này bay lên tầ n g bình lưu có

n h iệ t độ và áp s u ấ t tương ứng b ằn g 250K và 3.10~3 atm Tính th ể tích của quả bóng trê n tầ n g bìn h lưu C hấp n h ậ n kh í là lý tưởng

Đáp sô: 3,3.102 lít

1.18 K hí th a n ướt (CO + H.,) được tạo ra khi đốt c với hơi

nưốc theo phương trìn h p h ản ứng: c + HọO = c o + H 2 Khi đốt cháy m ột tấ n th a n cốc trong-hơi nưốc có 1000°C th ì tạo ra được

m ột th ể tích khí th a n ướt là bao nhêu? T ại 20°c dưới áp s u ấ t lOOatm

Đ áp sô’: 4,02.1010' lít

1.19 M ột b ìn h dun g tích 2L chứa 3g C 0 9 và 0,10g Họ ở

17°C T ính áp s u ấ t riên g của từ n g k h í và áp s u ấ t toàn p h ần các

kh í tác dụng vào th à n h b ìn h (giả th iế t kh í là lý tưởng)

1.21 M ột bong bóng kh í b án kính l,5cm ở đáy hồ có n h iệt

độ 8,4°c và có áp s u ấ t 2,8 atm , nổi lên m ậ t nước ở áp s u ấ t khí

quyên la tm , n h iệ t độ 25°c Hỏi kh í tổi bề m ặ t của hồ nước thì

b á n kín h bong bóng là bao nh iêu (thể tích h ìn h cầu b á n kính R là 4/3tiR3)

Đ áp số: 2,2 cm

Chương II

A- TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 N ội d u n g của n g u y ên lý I

Một hệ nh iệt động khi trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt Q và công A thì tổng đại SC) Q + A luôn luôn là một hằng sô" chỉ phụ thuộc vào trạng th ái đầu và cuối của hệ, hoàn toàn không phụ thuộc vào đường đi:

Q(1) + A(1) ~ Q(2) + A(2) - Q(:ì) + A(3, — AU - U([Ị) - U(A)

Với u là nội năng của hệ

Một cách tổng quát:

Đây là biểu thức toán của nguyên lý I ở dạng hữu hạn ĐỐI với những quá trìn h vô cùng nhỏ, biểu thức hữu hạn ở trên trở thành:

Trong 3 đại lượng n h iệ t động u , A, Q chỉ có đại lượng u là

h àm trạ n g th ái; 2 đại lượng còn lại là n h ữ ng đại lượng đặc trư n g cho quá trìn h , tức là chúng p h ụ thuộc vào đường đi

Quy ước về dâ'u của n h iệ t và công:

- N h iệt Q và công A được tín h là dương (Q > 0; A > 0) nếu

hệ n h ậ n n h iệ t và n h ậ n công từ bên ngoài

- N h iệt Q và công A được tín h là âm (Q < 0; A < 0) nếu hệ nhường n h iệ t và sin h công cho bên ngoài

Từ biểu thức (1) ta th ấ y rằ n g đối với hệ cô lập (không trao đổi gì với bên ngoài) Q = 0, A = 0, do đó AU = 0 Vậy trong hệ cỗ lập nội n ăn g được bảo toàn

2 Các b iể u th ứ c v ề cô n g và n h iệt tro n g m ộ t s ố quá trìn h

a) Công

- Công do h ệ thự c h iện cho bên ngoài được xác định bằng phương trìn h :

SA = -P p dVVới P e là áp s u ấ t ngoài, d v là biến th iên th ể tích Đôì với

n h ữ ng biến đổi vô cùng chậm , có th ể xem Pe = p với p là áp su ất của hệ do đó công d ãn nở th ể tích sẽ là:

ĐỐI với hệ đồng th ể của khí lý tưởng, sự biến thiên th ể tích

ỏ 2 trạ n g th ái 1 và 2 là do sự biến thiên số mol ở 2 trạn g thái đó, nên

b) N hiệt và nhiệt dung

N hiệt dung c được xác định như sau:

Vận dụng nguyên lý I cho khí lý tưởng ta có:

dU = ÔQ + SA = SQ - RrdV

Với điều kiện đẳng tích dV = 0; d ư = 5Qv = Cv.dT

Đối với 1 mol khí lý tưỏng:

Q V = A U = J c vdT = C v(T2 - T 1)

1

n ếu Cv không đổi tro n g khoảng n h iệ t độ từ Tị đến T 2.

Với điều kiện đ ẳn g áp:

d ư + PdV = SQ hay d(U + PV) = ỖQP;

Vậy: dH = SQP = CpdT hay AH = Qp = ] c pdT

1Đối với một mol kh í lý tưởng và Cp không p h ụ thuộc n h iệ t

độ thì: AH = Qp = Cp (T2 - T ỏ

Với điều kiện đ ẳn g n h iệ t T = const:

Nội n ă n g u và e n tan p i H của khí tưởng chỉ p h ụ thuộc

n h iệ t độ, không p h ụ thuộc vào th ể tích cũng n hư áp su ất, do đó:

Từ đ ịn h lu ậ t H ess vê n h iệ t của p h ả n ứng hoá học có th ể

r ú t ra m ột h ệ quả của sự tín h n h iệ t của p h ả n ứng dựa vào n h iệ t

h ìn h th à n h v à n h iệ t đốt cháy n h ư sau:

AHpU = S(AHht) cuối - £(AHht) đầu (6)AHpU = Z(AHdc) đầu - Z(AHdc) cuối (7)

N hiệt của phản ứng xác định theo (6) và (7) là nhiệt ỏ nhiệt

độ không đổi

Khi nh iệt độ thay đổi thì nhiệt của phản ứng cũng thav đổi theo Sự ph ụ thuộc này được biểu thị bằng định lu ậ t Kirchhoff như sau:

Với ACp là hằng sô' trong khoảng Tj -> Tọ

Từ nh iệt của phản ứng hóa học có thể tính được năng lượng liên kết của các chất có m ặt trong phản ứng

AH = X năng lượng liên kết các chất đầu - X năng lượng

liên kết các sản phẩm (9)

N ăng lượng liên kết ở đây được định nghĩa là năng lượng cần th iế t để phá vỡ liên kết hóa học để tạo ra các nguyên tử tự do

ỏ th ể khí

B- BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI

I I l G iãn nở đẳng nhiệt 0,850 mol khí lý tưởng từ áp suất

15 atm và nh iệt độ 3000K tói áp su ất latm Tính công giãn nở:

a) Trong ch ân không;

b) K hi áp s u ấ t ngoài không đổi là 1 atm ;

c) Khi q uá trìn h là th u ậ n nghịch

BÀI GIẢIa) Vì là chân không nên P e = 0 do đó A = -Pp.AV - 0

11*2 T ín h Q, A, AU trong quá trìn h nén đẳng nhiệt, th u ậ n nghịch 3 mol khí He từ 1 atm đến 5 atm ở 400K

BÀI GIẢIMột cách gần đúng có thể xem He là khí lý tưởng, do đó AUt = 0 Từ nguyên lý I suy ra

Sự nén đắng nhiệt 3 mol He là một quá trìn h tỏa nhiệt

II.3 So sánh sự khác nhau giữa AH và AƯ đôi vỏi các biến

đổi v ật lý sau đây:

a) 1 mol nước đá -> 1 mol nưốc ở 273K và latm

b) 1 mol nước đá -> 1 mol hơi nước ở 373K và latm Cho biết ở 273K, thể tích mol của nước đá và nước lỏng bằng 0,0196 L/m olvà 0,0180L/mol và ỏ 373K thể tích mol của nước lỏng và hơi nước tương ứng bằng 0,0188L/mol và 30,6lL/mol

BÀI GIẢITrong cả hai trường hợp quá trìn h là đẳng áp nên:

AH = AU + A(PV)

= AU + P.AV -► AH - AU = p AVa) AV = VL - VR

= 0,0180 - 0,0196

= -0,16.10'2L/mol

AH - AU = p AV = l.(-0,16.10'2) = -0 ,l6 1 0 '2L.atm

hoặc: AH - AU = - 0,16 J/mol

b) AV = VH - VL = 30,61 - 0,0188 = 30,59 L/mol

AH - AU = P.AV = 1 30,59L.atm hoặc 3100 J/m ol

So s á n h (AH - AU) ở (a) và (b) cho th ấ y sự khác biệt giữa

AH và AU là q uá nhỏ, có th ể bỏ qua đốì với các p h a ngưng kết,

song sự khác b iệt giữa hai đ ại lượng này là đáng kể nếu là ph a

khí Từ (a) th ấ y rằ n g AU > AH do sự giảm th ể tích khi nước đá nóng chảy, k ết q uả của việc hệ n h ậ n công từ bên ngoài

x II.4 Đốt cháy m ột mol B enzen lỏng ở 2 5 °c, la tm để tạo ra

k h í C 0 2 và nước (H20 ) (Ị), tỏa ra một n h iệ t lượng bằn g 3267kJ

Xác đ ịn h n h iệ t h ìn h th à n h của B enzen lỏng ở điều kiện đã cho về

n h iệ t độ và áp su ất, biết rằ n g n h iệ t h ìn h th à n h ch u ẩn của COy,

Vậy AH^tC H = 49kJ / mol

II.5 Trộn 50mL dung dịch HC1 0,20M với du n g dịch N aOH

0,20M tro n g m ột n h iệ t lượng kế, n h iệ t độ tă n g từ 22,2°c lên

23,5°c.

Xác định nh iệt tru n g hòa (tính ra kJ/mol) theo phản ứng: H30 + + OH' = 2H20

Cho biết tỷ trọng của hỗn hợp dung dịch loãng là lg/m L và

n h iệt dung riêng của nước là 4,18J/g.K

BÀI GIẢIThể tích của hỗn hợp khi pha trộn bằng 50 + 50 = lOOmL,

do đó có khôi lượng bằng lOOg Biến thiên nhiệt độ gắn liền với

p h ản ứng tru n g hòa là: 23,5 - 22,2 = l,3°c

Lượng nh iệt Q = m.c.At = 100 X 4,18 X 1,3 = 540J

Sô" mol HC1 có trong50m Ldung dịch 0,20M

0,20 ^ - =0,01 mol

1000Tương tự sô" mol NaOH bằng 0,01 mol

Vậy 0.01 mol H30 + phản ứng với 0,01 mol OH' giải phóng

ra 540J N hiệt tru n g hòa ứng với 1 mol sẽ là: 54000Ơ hay 54kJ/mol

Vậy đối với ph ản ứng: HC1 + NaOH = NaCl + H20 AH = -54kJ/m ol

II.6 Đôi với ph ản ứng: — N2 + — o,;, = NO ở 25°c và latm

AH° = 90,37 kJ Xác định nhiệt của phản ứng ở 558K, biết rằng

n h iệ t dung đẳng đốì vối lm ol của N2, 0 2, NO lần lượt bằng 29,12; 29,36 và 29,86 J/K.mol

BÀI GIẢI

Áp dụng định lu ậ t Kirchhoff ta có:

A H Ị = AH" + |A C pdT

T, 558

AH558 = AH298 + ÍACpdT

298

Vì Cp của các c h ấ t không p h ụ thuộc T nên:

AH®58 = AH^eg + ACp(558 - 298)

khi tín h , ACp không được đưa ra ngoài d ấu tích p h â n và có dạng,

chẳng h ạ n ACp = Aa + AbT + ACT'2 +

II.7 Xác đ ịn h n ăn g lượng liên k ế t tru n g b ìn h của một liên

k ế t CH tro n g m e ta n b iết n h iệ t h ìn h th à n h (ỷiuẩn AH(ị|lCH =

-74,8kJ/m ol; n h iệ t th ă n g hoa của th a n chì bằng 716,7 kJ/m ol và

n ăn g lượng p h â n ly p h â n tử Họ bằng 436 kJ/mol

BÀI GIẢI

N ăng lượng liên k ết tru n g bìn h của một liên k ế t C-H trong

p h ân tử CH4 b ằn g 1/4 năn g lượng Theo định nghĩa, năn g lượng

liên k ế t tro n g CH4 là AH(29X của quá trìn h :

CH4(k) -> C(k) + 4H(k)

Vận dụng định lu ật Hess, AH',1^ của quá trìn h phân lyphân tử th à n h các nguyên tử tự do ở thể khí được xác định nhò chu trìn h sau:

Với AH°h là nh iệt thăng hoa của C; AHpL là năng lượng

Cì2 + 2HI (k) = I2(k) + 2HC1 (k)

AHpu = z năng lượng liên kết của Cl2 và HI - £ năng lượng liên k ết của I2 và HC1

N ăn g lượng liên k ế t của Cl2, HI, I2 và HC1 tương ứng b ằn g

239, 297, 149 và 431 kJ/m ol

A H pƯ = 239 + 2.297 - 149 - 2.431 = -178kJ

11.8 1 mol nước đá nóng chảy ở 0°c, 1 atm , h ấp th ụ một

n h iệ t lượng b ằn g 6019,2J T hể tích mol của nước đ á và của nước lỏng b ằn g 0,0196 và 0,0180 lít T ín h AH và AU đốì với quá trìn h này

BÀI GIẢI-, Vì Qp = AH n ên AH = 6019,2 J

b ằn g 0,0053 lít

BÀI GIẢI

T ừ p h ả n ứng h ìn h th à n h CO:

c^+i o ^ c o

Sự biến thiên số mol khí là An = 1 - — = —

N ăng lượng liên kết là năn g lượng tru n g bình cần để phá

vỡ một liên kết xác định trong phân tử và tạo ra các nguyên tử hay các gốc P h ân tử H20 có 2 liên kết 0 - H Năng lượng trung bình của một liên k ết o - H sẽ bằng 1/2 hiệu ứng nhiệt của phản ứng H20(k) = 2H(k) + 0(k)

Để tín h hiệu ứng nhiệt này ta vận dụng định lu ậ t Hess

Lay phương trìn h (4) n h ân với 1/2 rồi cộng vào các phương trìn h (1) và (2) ta được:

là 925 k j suy ra n ă n g lượng tạo ra 2 liên k ế t o - H là -925 k J và

n ă n g lượng tru n g b ìn h của 1 liên k ết o - H là -925/2 = -462,5 kJ/m ol

Chú ý: các tín h to á n ở trê n đểu dựa vào sơ đồ chuyển hóa được th iế t lập trê n cơ sở địn h lu ậ t Hess:

BÀI GIẢI

AH°98(P.U) = AH!j98ht(C 02)-A H °98ht(C0)

= -3 9 3 ,5 -(-1 1 0 ,5 ) = -2 8 3 kJ Dựa vào định lu ậ t Kirchhoff tính AH!,7.j (P.U):

và 1 atm

Đ á p số: -2.27 kJ

11.14 T ín h AU và AH tro n g quá trìn h đu n nóng 55,4g Xe từ

300 đến 400K, b iế t rằ n g đốì với 1 mol kh í Xe Cv= 12.47J/K.mol

11.16 T ín h n h iệ t của p h ả n 'ứng quy về kg nhôm đối với

p h ả n ứng: 2A1 + F e203 = 2Fe + A120 3

Cho b iế t AI = 27; AH^tA] o = -1667,82 kJ/m ol và AHht.Fe2o3 = -819,28 kJ/m ol

127kJ/m ol) Xác đ ịn h lượng n h iệ t tỏa ra k h i l g b u ta n lỏng trong

b ậ t lửa bị đôt cháy; giả th iế t rằ n g sẫn p h ẩm của sự đốt cháy là

C 02 và hơi H20

Đáp số: -45,7kJ