BỒI DƯỠNG học SINH GIỎI THÔNG QUA các bài TOÁN NHIỆT hóa học TRONG CHƯƠNG TRÌNH hóa học THPT

Với ý định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm SKKN này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về bài toán nhiệt h

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HÓA

TRƯỜNG THPT LÊ VIẾT TẠO

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI THÔNG QUA CÁC BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH

HÓA HỌC THPT

Người thực hiện: Vũ Thị Hương Chức vụ: Giáo viên SKKN môn: Hóa Học

THANH HÓA NĂM 2017

I MỞ ĐẦU 1.1 Lí do chọn đề tài

Trong quá trình dạy học môn Hóa học, bài tập được xếp trong hệ thống phương pháp giảng dạy (phương pháp luyện tập), phương pháp này được coi là một trong các phương pháp quan trọng nhất để nâng cao chất lượng giảng dạy

bộ môn Thông qua việc giải bài tập, giúp học sinh rèn luyện tính tích cực, trí thông minh, sáng tạo, bồi dưỡng hứng thú trong học tập

Trong quá trình giảng dạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một số chuyên đề cần phải đào sâu kiến thức hơn nhưng học sinh không có tài liệu và việc tự học sinh nghiên cứu hay tự

hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là rất khó.Vì vậy thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho học sinh cũng như

hệ thống các kiến thức và các dạng bài tập cho học sinh Với ý định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về bài toán nhiệt hóa học để học sinh có thể hiểu sâu sắc hơn về chiều hướng và mức

độ diễn biến của các quá trình hóa học, cơ sở của nhiệt động học hóa học học từ

đó giúp các em giải quyết tốt các bài tập nhiệt động học

1.2 Mục đích nghiên cứu

Bài tập hoá học là một trong những phần không thể thiếu trong môn hoá học, làm bài tập giúp các em củng cố khắc sâu thêm kiến thức đồng thời rèn luyện óc

tư duy của các em

Xây dựng hệ thống bài tập nhiệt động học dùng cho học sinh ôn thi học sinh giỏi

Đánh giá, rút kinh nghiệm

Đề ra các giải pháp và đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả bồi dưỡng học sinh giỏi

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các kiến thức lý thuyết và phương pháp giải các bài tập nhiệt động học

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu

Thực nghiệm giảng dạy

Phương pháp hỏi đáp: trao đổi trực tiếp với giáo viên, học sinh về những vấn đề liên quan đến nội dung đề tài

II NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Các bài toán nhiệt động học là nội dung khó trong các đề thi học sinh giỏi tỉnh và khu vực Đa số các em học sinh chưa được tiếp cận các kiến thức này trong chương trình sách giáo khoa Vì vậy việc giải quyết tốt các bài tập nhiệt động học trong các đề thi học sinh giỏi là rất khó

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Thuận lợi:

Trong những năm gần đây, vấn đề dạy và học môn hoá học đã và đang đổi mới và là một trong những môn có chuyển biến mạnh mẽ về đổi mới phương pháp dạy học

Học sinh dần được tiếp cận các kiến thức liên quan đến ứng dụng khoa học

kĩ thuật vào thực tế thông qua các kiến thức được cung cấp trong nhà trường, các phương tiện thông tin

Khó khăn:

Trong các kỳ thi, đặc biệt là trong các kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên Vấn đề đặt ra là khi gặp một bài toán ở dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình cơ bản(Bài toán nhiệt động) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và thường không làm được

Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảng dạy thêm cho học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bài tập liên quan cho học sinh đặc biệt là những kiến thức nâng cao nhằm phục vụ cho các kỳ thi quan trọng

2.3 Giải pháp

1.Mục tiêu của giải pháp

Hướng dẫn lý thuyết cơ bản cho học sinh

Cung cấp các bài toán nhiệt động học, hình thành phương pháp giải toán nhiệt động học cho học sinh

2 Nội dung và cách thức thực hiện giải pháp

Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh:

PHẦN 1: HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHO HỌC SINH:

Cung cấp các kiến thức lý thuyết về nhiệt phản ứng cho học sinh

A Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học

* Hệ là đối tượng cần nghiên cứu các tính chất nhiệt động học.

* Hệ hở là hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh.

* Hệ kín là hệ không trao đổi chất mà chỉ có sự trao đổi năng lượng với môi

trường xung quanh

* Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường với môi

trường xung quanh

B Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

I Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt phát ra

hay thu vào trong quá trình phản ứng( qui ước tính cho một mol chất)

II Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt:

1 Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:

 Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

điều kiện tiêu chuẩn bằng không

 Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một

mol chất đó thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn Như vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trị bằng nhau nhưng trái dấu

2 Nhiệt cháy chuẩn của một chất: là nhiệt phản ứng đốt cháy hoàn toàn một

(Chất phản ứng và sản phẩm đều nguyên chất ở 298K, 1 atm)

3 Nhiệt sinh chuẩn của một chất: là nhiệt phản ứng tạo thành một mol chất đó

từ các đơn chất bền

(Chất phản ứng và sản phẩm đều nguyên chất ở 298K, 1 atm)

Nhiệt sinh chuẩn của đơn chất đều bằng 0

III Định luật Hess

Định luật Hess:

“Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng chứ không không phụ thuộc vào cách tiến triển của quá trình nghĩa là không phụ thuộc vào số lượng và đặc trưng của các giai đoạn trung gian”

Hệ quả:

ứng nhiệt là -

* Hiệu ứng nhiệt của một quá trình vòng(chu trình) bằng không

Sinh nhiệt: Sinh nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của một phản ứng tạo

thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn( Sinh nhiệt tiêu

chuẩn)

Thiêu nhiệt: Thiêu nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của một phản ứng

đốt cháy một mol chất đó bằng oxi ở điều kiện tiêu chuẩn để tạo thành các oxit bền

IV Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng

1 Phương pháp thực nghiệm:

Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế Nhiệt lượng kế được bố trí sao cho không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Nó gồm một thùng lớn đựng nước, trong đó nhúng ngập một bom nhiệt lượng kế, đây là nơi thực hiện phản ứng hoá học Trong thùng còn đặt một nhiệt

kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que khuấy để để duy trì cân bằng nhiệt trong cả hệ

Phản ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế Nhiệt lượng giải phóng

ra (phương pháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ và làm tăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2 Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau:

Gọi m là khối lượng của chất phản ứng,

M là khối lượng mol của nó,

C là nhiệt dung của nhiệt lượng kế,

Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

H m

M = - C( T2 – T1 ) = - CT

Do đó: H = - C T M

m

2 Phương pháp xác định gián tiếp.

Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các quá trình đã cho bằng các cách sau:

(1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học

(2) Cộng đại số các quá trình

(3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm trừ tổng sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng) (4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia trừ tổng thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

(5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất

cả các liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

B Định luật bảo toàn năng lượng Nguyên lí I của nhiệt động học

I Nội dung

Nguyên lý I nhiệt động học về thực chất là định luật bảo toàn năng lượng:

“Năng lượng của một hệ cô lập luôn luôn được bảo toàn”

II Nội năng U và entanpi H

Nội năng U:

* Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, bao gồm: năng lượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên

tử, năng lượng liên kết hóa học, năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử …

* Nội năng của hệ chỉ phụ thuộc vào trạng thái của nó được xác định bởi các thông số trạng thái ni, T, P

Khi chuyển hệ từ trạng thái 1( trạng thái đầu) sang trạng thái 2( trạng thái cuối), biến thiên nội năng của hệ là:

U = U2 – U1

Entanpi H:

Khi chuyển hệ từ trạng thái 1( trạng thái đầu) sang trạng thái 2( trạng thái cuối), biến thiên nội năng của hệ là:

U = U2 – U1

Lượng năng lượng này sẽ chuyển thành công, hoặc thành nhiệt, hoặc đồng thời thành cả hai dạng

Nếu kí hiệu công được thực hiện là A, lượng nhiệt trao đổi là Q, theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

Trong quá trình giãn nở khí ở áp suất không đổi, P = const:

Trong quá trình nén hay giãn nở thuận nghịch ở nhiệt độ không đổi, T = const:

A = - RTln( 2

1

V

Kết hợp (1) và (2) trong quá trình đẳng áp (P = const)

Triển khai (4) ta có:

QP = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Người ta gọi (U + PV) là entanpi, ký hiệu là H Do đó :

QP = H2 – H1 = H

III Quan hệ giữa Q P và Q V

Trong quá trình đẳng tích lượng nhiệt trao đổi bằng biến thiên nội năng của

Ta có:

QP = + P.V

QP = U + P.(V2 – V1)

QP = U + (n2RT – n1RT)

n: Độ biến thiên số mol khí

Chú ý: So với thể tích mol của chất khí, thể tích mol của chất rắn và lỏng rất

nhỏ, không đáng kể Do đó, biến thiên thể tích của chất rắn và lỏng trong các phản ứng hoá học được coi bằng không Vì vậy, khi xét công cơ học ta chỉ chú ý đến biến thiên thể tích của các chất khí.

C Chiều hướng diễn biến của các quá trình hóa học Nguyên lí II của nhiệt động học.

I Khái niệm entropi

* Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử của hệ cần xét Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giá trị càng lớn

* Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ không thay đổi và nếu áp suất cũng không thay đổi thì biến thiên entropi của quá trình là:

(5)

S =

T H



* Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là:

(6)

Chú ý: Entropi tiêu chuẩn của đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn không phải

bằng không

II Nội dung nguyên lý II nhiệt động học

“Trong bất cứ quá trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ và môi trường xung quanh phải tăng”

III Năng lượng tự do Gibbs

* Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để đánh giá chiều hướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường xung quanh Vì vậy, người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi của hệ để tìm điều kiện duy nhất xác định chiều diễn biến của các quá trình tự phát Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa ra đại lượng mới là năng lượng tự do Gibbs và được định nghĩa: G = H – TS

* Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì:

(7) Trong hệ thức này, G, H và S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét

G gọi là biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn là biến thiên thế đẳng áp hoặc entanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánh giá quá trình có xảy ra hay không?

Nếu G < 0 thì quá trình tự xảy ra.

Nếu G = 0 thì hệ ở trạng thái cân bằng.

Nếu G > 0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự

xảy ra)

IV Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học

* Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất là biến thiên thế đẳng áp của quá trình hình thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững

ở điều kiện tiêu chuẩn

bằng không

G = H –T.S

(Go các chất có trong các tài liệu tra cứu).

2 Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học

(8)

(9)

Chú ý:

- Người ta qui ước tại mọi nhiệt độ, Ho(H+.aq) = 0 và Go(H+.aq) = 0, nghĩa là phản ứng:

1/2H2(k) - 1e + H2O H+

(aq) có Ho = 0 và Go = 0

- Người ta cũng thống nhất qui ước So(H+.aq) = 0 tại mọi nhiệt độ và từ đó cũng

PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG:

( ) 2( ) 3( )

3 2

S  O  SO (1) H1 ?

Biết S( )r O2( )k  SO2( )k (2) H2 = -297 kcal/mol

2( ) 2( ) 3( )

1 2

Giải:

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

( ) 2( )

3 2

   SO3( )k

1

2( )k

SO

Từ định luật Hess ta có: H1 = H2 +H3 = - 395,2 kcal/mol

Nhận xét: Nếu cộng 2 phương trình (2) và (3) sẽ thu được phương trình (1)

( )r 2( )k 2( )k

ứng)

G = H – T.S

2( ) 2( ) 3( )

1 2

( ) 2( ) 3( )

3

2

S  O  SO H1 = H2 +H3 = - 395,2 kcal/mol

) ( )

( 2 )

1

k k

C   (1) H1 ?

Biết C(r) O2 (k)  CO2 (k) (2) H2 = -95,4 kcal/mol

) ( 2 )

( 2

2

1

k

k CO O

Giải:

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

) ( 2 )

C    H2

) (

2 k

CO

+ 2( )

1

1

k

CO(

Từ định luật Hess ta có: H2 = H1 +H3

H1 = H2 -H3= - 27,8 kcal/mol

Nhận xét: Nếu cộng lấy phương trình (2) trừ đi phương trình (3) sẽ thu được phương trình (1)

) ( 2 )

( 2

) ( 2 )

( 2

2

1

k

k CO O

) ( )

( 2 )

1

k k

C   (1) H1 = H2 -H3= - 27,8 kcal/mol

Nhận xét chung: Nếu một phản ứng nào đó là tổng đại số của một phản ứng

H các phản ứng thành phần đó.

Ví dụ 3: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

) ( 3 2

r CO CaCO CaO  

Cho H0(kJ/mol): - 636 - 394 - 1207

Giải:

Sinh nhiệt của các chất là hiệu ứng nhiệt của các phản ứng sau:

) )

( 2 )

2

1

r k

) ( 2 )

( 2 )

) ( 3 )

( 2 )

(

3

r k

gr

Có thể lập sơ đồ sau:

) 3 )

2 ) (

2

3

r

H k gr

Ca     

2

2

1

O

 H1 O2 H2 H ?

CaO (r) + CO 2 k( ) Theo định luật Hess:

H3 = H1 + H2 + H

Do đó H =H3 - (H1 + H2)

= - 1207 - ( -636 - 394) = - 177 kcal/mol

Bằng cách phân tích những ví dụ tương tự có thể rút ra qui tắc chung:

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học bằng tổng sinh nhiệt của các sản phẩm trừ đi tổng sinh nhiệt của các chất phản ứng.



Ví dụ 4: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

) 2 ) 5 2 3

) 3

) 5

2H OH l CH COOH l CH COOC H l H O l

Cho biết thiêu nhiệt của các chất như sau:

) 5

)

) 5 2

3COOC H l

Giải:

Có thể lập sơ đồ sau:

Trạng thái đầu

) 2 ) 5 2 3

) 3

) 5

2H OH l CH COOH l CH COOC H l H O l

1

tn

) 2 )

(

Trạng thái cuối

Từ sơ đồ, theo định luật Hess ta có:

2 1

tn    







Hay   tn1  tn2  tn3= - 326,7 - 208,2 + 545,9 = + 11,0 kcal/mol

Cũng bằng cách phân tích những ví dụ tương tự có thể rút ra qui tắc chung:

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học bằng tổng thiêu nhiệt của các chất đầu trừ đi tổng thiêu nhiệt của các chất sản phẩm.





tnsp

tncđ

Ví dụ 5: Đối với phản ứng:

) ( 2 ) ( )

(

CaCO  

298

0

huỷ

Giải:

Giả sử phản ứng xảy ra theo chiều từ trái sang phải, lúc đó:

298 298

G    



= -151,9 + (-94,0) – (-288,5) = 42,6 kcal/mol

  



S298 S0298 ,sp S0 298 ,cđ

=51,06 + 9,5 – 22,16 = 38,4 cal/mol.K

Từ đây G298   298  TS298= 42,6.10-3 -298.38,4 = 33156,8 cal/mol

298

G

đẳng nhiệt âm và do đó có thể xảy ra

Phản ứng phân huỷ CaCO3 xảy ra khi G < 0 hay T > S

T >

298

298

S





= 42,6.10-3 : 38,4 = 1109,375 K

ứng đạt đến trạng thái cân bằng

MỘT SỐ BÀI TẬP TỰ GIẢI

) ( ) ( 2 2

)

C   

2

1

k k

) ( 2 ) ( 2 )

(

1

k k