SKKN he thong BT nhiệt hóa học

Trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi môn Hóa học, tôi nhận thấy các bài tập liên quan đến Nhiệt hóa học là một nội dung luôn xuất hiện trong các đề thi Olympic 30/4, Olympic Khoa học

Sáng kiến kinh nghiệm

HỆ THỐNG HÓA BÀI TẬP NHIỆT HÓA HỌC TRONG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MÔN HÓA

GV thực hiện: Lê Trương Kim Phượng

Năm học 2016 – 2017

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii

PHẦN MỘT: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

PHẦN HAI: NỘI DUNG, BIỆN PHÁP THỰC HIỆN 2

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 2

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản 2

2.1.2 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 2

2.1.3 Nguyên lý I nhiệt động học 3

2.1.4 Nguyên lý II nhiệt động học 4

2.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 6

2.3 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN 6

2.3.1 Sự nhầm lẫn đơn vị tính toán 7

2.3.2 Bài toán biến đổi trạng thái chất qua nhiều giai đoạn 8

2.3.3 Sử dụng các đại lƣợng nhiệt động dự đoán độ bền của chất hoặc dự đoán khả năng tự diễn biến của một quá trình cụ thể 10

2.3.4 Bài tập kết hợp hằng số cân bằng 11

2.3.5 Bài tập liên quan thực tiễn sản xuất 14

2.3.6 Các kĩ năng toán học cần thiết cho bài toán nhiệt hóa học 16

2.4 KẾT QUẢ 17

2.4.1 Định tính 17

2.4.2 Định lƣợng 18

PHẦN BA: KẾT LUẬN 19

PHỤ LỤC 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

đktc: điều kiện tiêu chuẩn

HS: học sinh

HSG: học sinh giỏi

GV: giáo viên

PƢ: phản ứng

PHẦN MỘT: ĐẶT VẤN ĐỀ

Thi học sinh giỏi các cấp không chỉ là cơ hội để học sinh nâng cao khả năng tự học,

tự rèn, được cọ sát với nhiều dạng đề mới mà còn là cơ hội để giáo viên nâng cao khả năng sáng tạo, đổi mới trong phương pháp dạy học để đạt được những kết quả tốt nhất Ngoài kiến thức chuyên môn thì những giải pháp, kinh nghiệm đúc kết được từ thực tiễn giảng dạy là điều vô cùng cần thiết để nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp

Trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi môn Hóa học, tôi nhận thấy các bài tập liên

quan đến Nhiệt hóa học là một nội dung luôn xuất hiện trong các đề thi Olympic 30/4,

Olympic Khoa học tự nhiên, Trại hè Phương Nam, thi chọn học sinh giỏi quốc gia lý thuyết, Olympic Hóa học Quốc tế (IChO),… Trong nội dung này, các bài tập liên quan đến tính toán hiệu ứng nhiệt của các phản ứng, mối liên hệ giữa các đại lượng nhiệt học (nhiệt phản ứng, entropy, năng lượng tự do Gibbs, năng lượng hoạt hóa, công thực hiện, biến thiên nội năng, v.v…) Bên cạnh đó, ở mức độ vận dụng cao hơn, các bài tập về

nhiệt hóa học còn được kết hợp với các kiến thức của Động hóa học, chẳng hạn như:

dạng đồ thị năng lượng hoạt hóa – dự đoán cơ chế phản ứng, năng lượng tự do Gibbs – hằng số cân bằng – chiều chuyển dịch cân bằng, v.v…

Trong quá trình giảng dạy chuyên đề Nhiệt hóa học, tôi nhận thấy học sinh, thậm

chí là giáo viên cũng gặp không ít khó khăn trong vấn đề phân dạng bài tập cùng các lỗi thường gặp, đặc biệt là việc sử dụng đơn vị SI/không SI, công thức tính toán trong điều kiện chuẩn/không chuẩn, v.v…

Chính vì thế, phân dạng bài tập Nhiệt hóa học cùng với các lỗi thường gặp, cũng

như các lưu ý khi giải bài tập là việc vô cùng cần thiết khi giảng dạy nội dung này Từ

đó, tôi quyết định thực hiện đề tài Hệ thống hóa bài tập nhiệt hóa học trong bồi dưỡng

học sinh giỏi môn hóa với mong muốn đúc kết, chia sẻ kinh nghiệm của bản thân cùng

quí thầy cô và các bạn đồng nghiệp Hi vọng, qua sáng kiến kinh nghiệm này, chúng ta sẽ cùng trao đổi và học tập lẫn nhau, cùng nâng cao chất lượng trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp

PHẦN HAI: NỘI DUNG, BIỆN PHÁP THỰC HIỆN

2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI [1-3]

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản

2.1.1.1 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học là năng lượng tỏa ra hay hấp thụ trong phản ứng

Để có thể so sánh nhiệt của các phản ứng cần chỉ rõ điều kiện phản ứng xảy ra:

- Lượng các chất tham gia và sản phẩm tạo thành theo hệ số tỷ lượng

- Trạng thái vật lý của các chất

2.1.1.2 Năng lượng tạo liên kết

Năng lượng tạo liên kết là là năng lượng được giải phóng ra khi tạo thành liên kết của 1 mol chất hóa học từ các nguyên tử riêng lẻ ở thể khí Khi đó ∆Hlk < 0

2.1.1.3 Điều kiện tiêu chuẩn

Điều kiện tiêu chuẩn hiện nay được chấp nhận là những điều kiện sau:

- Nhiệt độ: 25oC

- Áp suất: 1 atm

- Trạng thái các chất: nguyên chất, bền nhất

2.1.2 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

2.1.2.1 Nhiệt sinh chuẩn (nhiệt tạo thành chuẩn) ∆Htt của một chất: là lượng

nhiệt trong phản ứng tạo thành 1 mol hợp chất đó từ các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn Chất sản phẩm và chất phản ứng phải là các chất nguyên chất ở 1atm và giữ P, T = const, các số liệu nhiệt động chuẩn trong các tài liệu thường được xác định ở nhiệt độ T =

298K

Nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bằng 0

2.1.2.2 Nhiệt cháy chuẩn ∆Hc của một chất: là lượng nhiệt tỏa ra hay hấp thụ

trong phản ứng đốt cháy 1 mol hợp chất trong oxi thành các oxit bền nhất (với số oxi hóa cao nhất của các nguyên tố)

Nhiệt đốt cháy của các oxit với số oxi hóa cao nhất của các nguyên tố bằng 0

2.1.2.3 Nhiệt phân hủy ∆H ph của một chất: là lượng nhiệt tỏa ra hay hấp thụ của

phản ứng phân hủy 1 mol hợp chất ở thể khí thành các nguyên tố ở thể khí

Ta có: ∆Htt = –∆Hph

2.1.2.4 Nhiệt hòa tan

Quá trình hòa tan một chất rắn (tinh thể) hoặc lỏng vào nước (hoặc dung môi khác) thường gồm 2 quá trình: phá vỡ mạng lưới tinh thể – hấp thụ nhiệt (∆H1 > 0) và quá trình hiđrat hóa (solvat hóa, dung môi hóa) – tỏa nhiệt (∆H2 < 0) Lượng nhiệt tỏa ra hay hấp thụ vào khi hòa tan 1 mol chất gọi là nhiệt hòa tan: ∆Hht = ∆H1 + ∆H2

2.1.2.5 Nhiệt thăng hoa: Là năng lượng cần thiết để chuyển 1 mol chất ở trạng thái

rắn thành các nguyên tố ở trạng thái khí trong đktc

Ví dụ: C (r)  C (k) Ho298K = 172 kcal/mol

2.1.2.6 Nhiệt chuyển pha: Là năng lượng cần thiết để chuyển 1 mol chất từ trạng

thái rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí ở nhiệt độ xảy ra quá trình chuyển pha Nhiệt độ chuyển pha của 1 chất ở áp suất xác định sẽ không đổi trong suốt quá trình chuyển pha

2.1.3 Nguyên lý I nhiệt động học

2.1.3.1 Biến thiên nội năng ∆U

Nguyên lý trạng thái đầu và trạng thái cuối: hệ đóng thực hiện một quá trình mở

thì hiển nhiên rằng phần năng lượng trao đổi giữa hệ với môi trường dưới dạng nhiệt trừ

đi phần năng lượng trao đổi được thực hiện dưới dạng công phải bằng đúng biến thiên nội năng của hệ trong quá trình chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, nghĩa là:

∆U = Q + A

- Trong điều kiện đẳng tích: A = 0  Qv = Uv

- Trong điều kiện đẳng áp: QP = (U2 + PV2) – (U1 + PV1)

2.1.3.2 Entanpi H

∆H = ∆U + ∆(PV) = Q + VdP Trong điều kiện đẳng áp: Qp = (U2 + PV2) – (U1 + PV1)  Qp = ∆H Nghĩa là khi phản ứng được thực hiện ở áp suất không đổi, lượng nhiệt truyền cho hệ được dùng để làm tăng entanpi H của hệ

*Nếu khí lý tưởng và giãn nở đẳng nhiệt: Pn = Phệ =

2.1.3.4 Quan hệ giữa biến thiên nội năng và biến thiên entanpi của phản ứng đối với 1 mol khí lý tưởng

Đối với khí lý tưởng: ∆H = ∆U + ∆(PV) = ∆U + ∆nRT

Quá trình đoạn nhiệt: Q = 0; dU = Q + A = A = -PdV =

2

1

T V T

dT n.C T

Quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch

1 2 1 γ

1 2 2

1

P

PV

VTT

a Entropy chuẩn của một chất: là entropy của chất đó ở điều kiện chuẩn P = 1atm,

T = 298K (25oC) và với 1 mol chất (đối với dung dịch thì nồng độ phải là 1 mol/lít), và đƣợc ký hiệu là o

298

ΔS Đơn vị của entropy chuẩn là J.mol–1K–1 hay cal.mol–1K–1

Những quá trình nóng chảy, bay hơi, thăng hoa, ngưng tụ, v.v… là kết quả đồng thời của 2 hiện tượng: truyền năng lượng và biến đổi trật tự sắp xếp của các hạt chất Vì

có khả năng chuyển động hỗn loạn, các hạt có thể khuếch tán và trộn lẫn với nhau Nói khác đi, hệ có xu hướng chuyển từ trạng thái ít hỗn loạn sang trạng thái hỗn loạn nhiều hơn  Entropy chính là thước đo mức độ hỗn loạn của trạng thái của hệ

b Tính biến thiên entropy trong một số quá trình

Định luật Nernst: “Entropy của tất cả các chất tinh khiết (dạng tinh thể) ở

không độ tuyệt đối đều bằng số không” (Nguyên lý thứ ba nhiệt động học)

2

P

PRlnV

VRlnT

const C P

T

T.lnC.dlnT

C

2 1

P

Quá trình thuận nghịch đẳng tích: ∆S =

1 2 T

const C V

T

T.lnC.dlnT

C

2 1

b Tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs cho một số quá trình – mối liên hệ với hằng số cân bằng và nhiệt độ

*Tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs cho một PƯ hóa học:

T 2

T

T

1 T

1 ΔH T

ΔG T

ΔG

1 2

*Đối với chất rắn và chất lỏng: coi V = const khi P biến đổi (trừ miền P lớn) Do đó: G = V(P2 – P1)

*Đối với chất khí (xem là lý tưởng):

1

2 P

P

P

PnRTlnG

*Trộn lẫn đẳng nhiệt, đẳng áp 2 khí lí tưởng: G = nA.RTlnxA + nB.RTlnxB

2.2 CƠ SỞ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Các bài tập về nội dung Nhiệt hóa học đã xuất hiện nhiều trong các đề thi HSG các

cấp từ nhiều năm nay, cụ thể như: Học sinh giỏi các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (Olympic 30/4) từ năm 2001, Olympic Hóa học sinh viên các trường Đại học, cao đẳng toàn quốc từ năm 2005, Học sinh giỏi Quốc gia THPT môn Hóa học từ năm 2000, Olympic Hóa học quốc tế (IChO) từ lần thứ 12 (năm 1979) đến nay, v.v…

Trong quá trình biên soạn và giảng dạy chuyên đề Nhiệt hóa học, bản thân tôi nhận

thấy một số khó khăn của nội dung này bao gồm:

- Sự nhầm lẫn về đơn vị của các dạng năng lượng, đặc biệt là các bài toán sử dụng các đơn vị không SI

- Không nhận dạng được các quá trình biến đổi khí (đẳng nhiệt, đẳng áp, đoạn nhiệt, v.v…) từ đó dẫn đến sử dụng sai công thức

- Nhầm lẫn thứ nguyên của hằng số cân bằng dẫn đến sử dụng sai loại hằng số (KC, KP hay KX)

- Chưa xác định được điều kiện chuẩn cho biến thiên entanpy, biến thiên entropy

và năng lượng tự do Gibbs Một số trường hợp, chưa nhận dạng được công thức sử dụng trong các điều kiện không chuẩn cho các đại lượng nhiệt động

Với những cơ sở đã phân tích ở trên, tôi cho rằng SKKN Hệ thống hóa bài tập

nhiệt hóa học trong bồi dưỡng học sinh giỏi môn hóa mang tính thiết thực và khả thi

cao Trong SKKN này, tôi hệ thống lại một số dạng bài tập Nhiệt hóa học thường gặp, ở mỗi dạng có phân tích, đánh giá những khó khăn, các lỗi thường gặp Từ đó giúp cho HS tránh được các lỗi sai không đáng có trong quá trình làm bài

2.3 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN

3 bài toán về công –nội năng – các quá trình sản xuất thực tiễn

Một phản ứng dùng để luyện kẽm theo phương pháp khô là:

Hỏi phản ứng có duy trì được không, nghĩa là không cần cung cấp nhiệt từ bên ngoài, biết rằng phản ứng trên chỉ xảy ra ở nhiệt độ không thấp hơn 1350K?

3 Thực tế trong quặng Sfalerit ngoài ZnS còn chứa SiO2 Vậy hàm lượng % của ZnS trong quặng tối thiểu phải là bao nhiêu để phản ứng có thể tự duy trì được?

Cho biết entanpi tạo thành chuẩn của các chất ở 25oC (kJ.mol-1)

Hợp chất ZnO (r) ZnS (r) SO2 (k)

o f

0 293,31dT

T = 1829K > 1350K nên phản ứng tự duy trì đƣợc

3) Gọi x là số mol SiO2 có trong 1 mol ZnS

o ) p(SiO o

) p(N o

) P(O o

p(ZnS) o

2

3 C

- Bài toán này chỉ đơn thuần áp dụng công thức tính S và G khi trộn lẫn khí

- Vấn đề là cần tính các giá trị nhiệt động theo đơn vị Joule

2 ln

2 2 2 2

T

V P V

- Nếu HS chỉ dừng lại ở kết quả 0,0174 thì lúc này đơn vị của S chỉ mới là L.atm/K

- Như vậy, HS cần thêm một bước chuyển đổi từ L.atm sang Joule:

S = 0,0174.101,325 = 1,763 (J/K) thì mới được trọn điểm

Ví dụ 2: Nitrosyl clorua (NOCl) là một chất rất độc, khi đun nóng sẽ phân huỷ thành nitơ

monoxit và khí clo Tính gần đúng KP (theo atm) của phản ứng ở 400K, xem một cách gần đúng giá trị H và S không thay đổi trong khoảng nhiệt độ đã cho, phản ứng được cân bằng theo các hệ số nguyên, tối giản Biết:

Nitrosyl clorua Nitơ monoxit Cl2

R cần sử dụng là 8,314 J.mol–1.K–1

Kết luận: Để tránh mắc lỗi nhầm đơn vị, GV cần:

- Cung cấp hệ thống các đơn vị thông dụng cho HS (Phụ lục)

- Hướng dẫn HS cách chuyển đổi đơn vị thật nhuần nhuyễn, hiểu rõ mối liên hệ giữa các đơn vị sử dụng

- Rèn luyện tính cẩn thận khi đọc đề và khi làm bài cho HS

2.3.2 Bài toán biến đổi trạng thái chất qua nhiều giai đoạn

- Dấu hiệu: chất (hoặc hệ chất) ban đầu có trạng thái và nhiệt độ xác định (trạng thái 1), qua một quá trình biến đổi thành chất (hoặc hệ chất) ở trạng thái mới (trạng thái 2)

- Sai sót dễ mắc phải:

+ Thiết lập thiếu giai đoạn biến đổi

+ Xác định sai bản chất của sự biến đổi (đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích, v.v ), từ

Ví dụ 3: Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của 9,0 gam nước từ -50oC đến

500oC ở P = 1 atm Biết rằng nhiệt nóng chảy của nước ở 273K là 6004 J/mol; nhiệt bay hơi của nước ở 373K là 40660 J/mol; các giá trị nhiệt dung (J/mol.K) là: Co

p, r = 35,56 (J/molK); Cop,ℓ = 75,3 (J/molK); và Cop, h = 30,2 + 10-2T (J/molK)

Phân tích đề

- HS cần nhận định được, trong toàn bộ quá trình này đã xảy ra 5 biến đổi Đặc biệt

HS phải hiểu rõ: quá trình chuyển pha (rắn – lỏng, lỏng – khí) là quá trình đẳng áp và sử dụng đúng công thức tính H và S cho quá trình đẳng áp

- Sơ đồ hóa quá trình biến đổi, cụ thể trong ví dụ 3 như sau:

273

223

o P(r) 5

1

n.L dT n.C n.L

.dT nC

373

o P(h).dTn.C

- Đề cho lượng nước ở đơn vị gam, trong khi đó đơn vị của nhiệt dung lại tính theo mol  HS cần đổi ra số mol nước

Ví dụ 4: Một viên nước đá khối lượng 10 gam có nhiệt độ -25oC được thả vào một chiếc cốc có chứa 300 mL rượu đế Gò Đen (có độ rượu là 39,5o) ở nhiệt độ phòng 25oC đến khi

hệ đạt cân bằng nhiệt độ Biết các số liệu cho ở bảng sau:

a Tính nhiệt độ (oC) khi hệ rượu – nước đá đạt đến cân bằng

b Tính biến thiên entropy của quá trình trên

- Chỉ cần HS xác định được chất hoặc hệ chất nào thu/tỏa nhiệt và thiết lập đúng sơ

đồ thì bài toán trở nên dễ dàng:

Hệ 300 ml rượu 39,5o sẽ tỏa nhiệt, hệ viên nước đá sẽ thu nhiệt Gọi t là nhiệt độ khi

hệ cân bằng Khi hệ cân bằng nhiệt, nghĩa là Qthu = Qtỏa (với Q = m.c.∆T)

Phân tử khối (đvC)

Kết luận: Để làm tốt dạng bài này, GV cần:

- Hướng dẫn và rèn luyện cho HS cách thiết lập sơ đồ của quá trình chuyển hóa nhiều giai đoạn

- Rèn luyện cho HS thuần thục cách thiết lập phương trình cân bằng nhiệt

- Trang bị cho HS kĩ năng toán học (tích phân, vi phân đơn giản) cho các phương trình tính H và S ở điều kiện đẳng áp và đẳng tích

2.3.3 Sử dụng các đại lượng nhiệt động dự đoán độ bền của chất hoặc dự đoán khả năng tự diễn biến của một quá trình cụ thể

- Dấu hiệu: Với dạng bài này, câu hỏi đề bài đặt ra thường rất rõ ràng:

+ Trong cùng điều kiện, chất nào bền hơn hoặc liên kết nào bền hơn?

+ Trong điều kiện chuẩn/điều kiện đã cho, phản ứng có thể xảy ra được không? + Trong điều kiện chuẩn/điều kiện đã cho, phản ứng diễn ra theo chiều nào?

- Một số lưu ý:

+ HS thường dùng giá trị H và S để dự đoán độ bền của chất Tuy nhiên, giá

trị đúng nhất để dự đoán độ bền chất chính là G, còn H chủ yếu được dùng để dự đoán

độ bền liên kết

+ Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp thì sử dụng giá trị G, còn trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng tích thì cần sử dụng giá trị F

+ G, F càng nhỏ thì chất càng bền; Hliên kết càng lớn thì liên kết đó càng bền chặt

Ví dụ 5: Có 1 mol O2 nguyên chất ở 25oC, 2atm; 1 mol O2 nguyên chất ở 25oC, 1atm và

1 mol O2 ở 25oC trong không khí trên mặt đất (P = 1atm, O2 chiếm 21% V không khí) Các giá trị hàm G của 1 mol O2 trong 3 trường hợp trên hơn kém nhau bao nhiêu Joule?

Từ đó rút ra kết luận: Khả năng phản ứng của O2 trong mỗi trường hợp trên cao hay thấp

hơn so với trường hợp khác?

Phân tích đề

- Câu hỏi của đề rất rõ ràng, HS chỉ cần so sánh các giá trị của hàm G trong 3 điều kiện Giá trị G nào bé nhất thì O2 trong điều kiện ấy là bền nhất, khả năng phản ứng kém nhất

- Không thể tính trực tiếp giá trị G mà thông qua công thức tính G:

Gọi Go là hàm Gibb của 1 mol O2 ở 1atm (điều kiện chuẩn)

1 mol O2, 1atm, 25oC  1 mol O2, 2atm, 25oC