tài liệu hóa học duyên hải bắc bộ 2010

- Vì V1 < V2 nên W < 0, nghĩa là hệ sinh công.- Nếu sự biến đổi là thuận nghịch, nghĩa là giảm Pn bằng những lượng vô cùng nhỏ để thểtích khí tăng với những lượng vô cùng bé, khi đó Pn ở

MIỀN DUYÊN HẢI VÀ ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ

KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC, LẦN THỨ III

MÔN HÓA HỌC

(TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ)

MỤC LỤC

axít-bazơ ở trường chuyên

97

DI TRUYỀN HỌC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương trình môn Hoá học THPT chuẩn và nâng cao khác rất nhiều so

với chương trình thi học sinh giỏi Quốc gia, quốc tế Trong khi đó sách giáo

khoa dành cho học sinh chuyên thì chưa được phát hành Điều đó đã gây rất

nhiều khó khăn cho các thày cô và các em học sinh khi học tập và tham gia

các kỳ thi Quốc gia, quốc tế

Với sáng kiến tốt đẹp của các ban lãnh đạo khối các trường chuyên khu

vực Duyên hải và đồng bằng Bắc Bộ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho các thày,

cô giáo dạy môn chuyên được giao lưu học tập kinh nghiệm và chia sẻ các

tài liệu giảng dạy Từ năm học 2008-2009 đến nay hội các trường THPT

chuyên khu vực Duyên hải và đồng bằng Bắc Bộ liên tục tổ chức hội thảo

khoa học các môn chuyên Trong mỗi lần hội thảo nhiều thày cô giáo tiêu

biểu đang giảng dạy môn Hoá học trong khu vực và các thầy cô của các

trường quan sát viên đã cùng nhau trao đổi, thống nhất, chuẩn hoá và nâng

cao nhiều phần kiến thức môn Hoá học nhằm giảm bớt những khó khăn

trong dạy và học

Với sự tham gia nhiệt tình của các trường, trong năm học này trường

THPT chuyên Biên Hoà đã nhận được 10 chuyên đề Các chuyên đề đều

được trình bày rõ ràng từ dễ đến khó điều này thể hiện các bạn đồng nghiệp

rất nhiệt tình tham gia hội thảo lần này Các chuyên đề năm nay tập trung

chủ yếu là: Nhiệt hoá học (Bắc Giang, Thái Bình, Vĩnh Phúc), động hoá học

(Hải Phòng), cân bằng hoá học (Hà Nam), chuẩn độ (Ninh Bình), cấu tạo

chất (Nam Định), tổng hợp hữu cơ (Hưng Yên, Hải Dương), xác định chất

(ĐHSP Hà Nội)

Ban biên tập chúng tôi mong muốn rằng trong các hội nghị lần sau sẽ

tiếp tục bổ sung các chuyên đề còn thiếu, còn ít để vài năm sau chúng ta sẽ

có được những bộ tài liệu quý hỗ trợ việc giảng dạy và học tập tốt hơn

Hà Nam, ngày 10 tháng 11năm 2010

NHÓM HOÁ HỌC TRƯỜNG THPT CHUYÊN BIÊN HOÀ, HÀ NAM

CHUYÊN ĐỀ: NHIỆT HOÁ HỌC

Trường THPT chuyên Bắc Giang

PHẦN A: LÝ THUYẾT CƠ BẢN

I Các khái niệm cơ bản

Nhiệt hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các quá trình khác nhau Cơ sở lí thuyết của

nó là nguyên lý I của nhiệt động học

1 Khí lí tưởng

- Là chất khí mà khoảng cách giữa các phân tử khí xa nhau và ta có thể bỏ qua sự tương tácgiữa chúng (khí có áp suất thấp)

- Phương trình trạng thái khí lí tưởng dùng cho n mol khí: PV = nRT

P là áp suất của khí, Pa hoặc N/m2; V là thể tích của khí, m3; T là nhiệt độ của khí, K; R làhằng số khí lí tưởng, R = 8,314 J.K-1.mol-1

- Nếu trong bình có một hỗn hợp khí thì mỗi khí gây nên một áp suất gọi là áp suất riêngphần bằng áp suất chung P của hỗn hợp Nếu gọi V là thể tích chung của hỗn hợp khí thì:

i i

n

nN

;PNP

V

RTnP

- Hệ cô lập là hệ không trao đổi cahast và năng lượng với môi trường

- Hệ nở (mở) là hệ trao đổi chất và năng lượng với môi trường

- Hệ kín là hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường

- Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường được gọi là hệ đoạn nhiệt

- Qui ước dấu khi hệ trao đổi năng lượng với môi trường

Hệ nhận năng lượng của môi trường: dấu +

Hệ nhường năng lượng cho môi trường: dấu -

3 Thông số trạng thái

Chúng là những đại lượng xác định trạng thái vĩ mô của hệ Ví dụ: trạng thái của khí lí

tưởng trong hệ kín được xác định bởi các thông số trạng thái P, V, R, T, n Tuy nhiên vì cácthông số này liên hệ với nhau bằng công thức PV = nRT, nên chỉ cần ba thông số đó đủ để xácđịnh trạng thái của hệ.

Thông số trạng thái dung độ tỉ lệ với lượng chất, ví dụ, thể tích, khối lượng

Thông số trạng thái cường độ không tỉ lệ với lượng chất, ví dụ, nhiệt độ, áp suất, nồng độ,

độ nhớt

4 Trạng thái cân bằng

Một hệ ở trạng thái cân bằng nếu trạng thái của nó không biến đổi theo thời gian.

5 Biến đổi thuận nghịch và bất thuận nghịch

Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta biến đổi giá trị ít nhất của một trong cácthông số trạng thái của hệ thì hệ sẽ bị biến đổi và chuyển sang trạng thái mới đặc trưng bằngnhững giá trị mới các thông số trạng thái

Biến đổi thuận nghịch: nếu hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằngkhác 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 biến đổi lí tưởng không có trong thực tế

Khác với sự biển đổi thuận nghịch là sự biến đổi bất thuận nghịch Đó là sự biến đổi đượctiến hành với vận tốc đáng kể Những biến đổi xảy ra trong thực tế đều là bất thuận nghịch

6 Hàm trạng thái

Là nếu giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ, nghĩa là nó khôngphụ thuộc vào những sự biến đổi trước đó của hệ

Ví dụ: n mol khí lí tưởng:

- Ở trạng thái 1 được đặc trung bằng P1V1 = nRT1;

- Ở trạng thái 2 được đặc trung bằng P2V2 = nRT2;

PV là hàm trạng thái, nó không phụ thuộc vào cách biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2

7 Công W và nhiệt Q

- Là hai hình thức trao đổi năng lượng Đơn vị thường dùng của công và nhiệt là Jun (J)

- Công và nhiệt không phải là những hàm trạng thái vì giá trị của chúng phụ thuộc vào cácbiến đổi Ví dụ: công của sự giãn nở khí lí tưởng từ thể tích V1 đến V2 ở nhiệt độ không

đổi trong một xilanh kín nhờ một pittong được tính bằng công thức: W =  

2 1

ndVP

Pn là áp suất bên ngoài tác dụng lên phía ngoài pittong

- Nếu sự biến đổi là thuận nghịch thì Pn bằng P của khí quyển là không đổi Từ đó công

của sự biến đổi bất thuận nghịch là: Wbtn Pkq2dVPkqV2  V1

- Vì V1 < V2 nên W < 0, nghĩa là hệ sinh công.

- Nếu sự biến đổi là thuận nghịch, nghĩa là giảm Pn bằng những lượng vô cùng nhỏ để thểtích khí tăng với những lượng vô cùng bé, khi đó Pn ở mỗi lúc thực tế bằng áp suất của khí ở

bên trong xilanh Pk: Pn = Pk =

V

nRT.Thay vào công thức (4.3) ta sẽ tính được công của quá trình biến đổi thuận nghịch này:

1 2 2

1

tn

V

Vln.nRTV

dVnRT

Vậy Wtn  Wbtn

Các quá trình thuận nghịch có ý nghĩa lớn, vì chúng sinh công lớn nhất khi hệ biến đổi từtrạng thái 1 đến trạng thái 2 Lượng công này đúng bằng lượng công cần thiết để đưa hệ vềtrạng thái ban đầu

8 Nội năng U Sự biến thiên nội năng của hệ

- Nội năng của một chất hày một hệ gồm động năng của các phần tử và thế năng tương tácgiữa các phần tử trong chất hay trong hệ đó

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

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

Giả sử có một hệ kín chuyển từ trạng thái 1 với nội năng U1 sang trạng thái 2 với nội năng

Nguyên lí 1 của nhiệt động học khẳng định rằng:

U = U2 – U1 = W + Q = const (4.6)

U là sự biến thiên nội năng của hệ khi chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 Nó làhằng số dù cho sự biến đổi được thực hiện bằng cách nào (U là hàm trạng thái)

Đối với sự biến đổi vô cùng nhỏ ta có: dU = W + Q (4.7)

Kí hiệu  chỉ rằng W và Q không phải là nhữngg hàm trạng thái (4.7) là biểu thức toánhọc của nguyên lí I nhiệt động học

Thường gặp công được thực hiện chỉ do sự biến đổi thể tích nên:

W = -PdV (4.3)’

2 1

PdVQ

- Nhiệt đẳng tích Qv

Nếu hệ biến đổi ở V = const thì dV = 0 và từ công thức (4.8) ta có U = Qv (4.9)Vậy nhiệt đẳng tích là một hàm trạng thái, nghĩa là nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu vàcuối của hệ.

V V P dV P

Thay kết quả này vào công thức (4.8) đồng thời thay U = U2 – U1 ta có:

Vậy nhiệt đẳng áp cũng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ

9 Nhiệt phản ứng Phương trình nhiệt hóa học.

- Xét một hệ kín trong đó xảy ra phản ứng:

aA + bB ����� cC + dD.�Nhiệt phản ứng của phản ứng này là nhiệt lượng trao đổi với môi trường khi a mol chất Aphản ứng với b mol chất B tạo thành c mol chất C và d mol chất D ở T = const

- Nếu phản ứng được thực hiện ở P = const thì nhiệt phản ứng được gọi là nhiệt phản ứngđẳng áp Qp = H

- Nếu phản ứng được thực hiện ở V = const thì nhiệt phản ứng được gọi là nhiệt phản ứngđẳng tẳng Qp = U

- Phản ứng nhường nhiệt lượng cho môi trường được gọi là phản ứng tỏa nhiệt, khi đó H

- Phương trình nhiệt hóa học:

Phản ứng tỏa nhiệt thì các chất phản ứng phải mất bớt đi năng lượng, vì thế ∆H có giá trị

âm (∆H < 0) Ngược lại, ở các phản ứng thu nhiệt, các chất phản ứng phải lấy thêm nănglượng để biến thành các sản phẩm, vì thế ∆H > 0

∆H = +285,832 kJ

Phương trình phản ứng có ghi thêm giá trị ∆H và trạng thái các chất được gọi là phươngtrình nhiệt hóa học.

- Phản ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế Lượng nhiệt giải phóng ra đượcnước hấp thụ làm tăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2

Gọi m là khối lượng của chất phản ứng

M là khối lượng mol phân tử của nó C là nhiệt dung của nhiệt lượng kế

∆H là hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

sử lượng nhiệt bị hấp thụ bởi các vật xung quanh như bom nhiệt lượng kế, thành binh… là

không đáng kể) Biết nhiệt dung của nước trong khoảng nhiệt độ thí nghiệm là 1cal/(gam.K)nghĩa là để đun nóng 1 gam nước lên 10 cần 1 calo nhiệt.

Giải: Lượng nhiệt nước hấp thụ: q = 1000 1 (32,8 - 25) = 7,8 10-3 cal

2 Phương pháp xác định gián tiếp Định luật Hess

- Việc xác định trực tiếp hiệu ứng nhiệt phản ứng chỉ thực hiện được trong một số íttrường hợp, khi phản ứng xảy ra nhanh, phản ứng hoàn toàn và không đòi hỏi những điều kiệnthí nghiệm phức tạp Trong phần lớn các trường hợp việc xác định này gặp nhiều khó khăn.Chẳng hạn, không thể xác định trực tiếp hiệu ứng nhiệt của phản ứng: C(r) + ½ O2(k)

→CO(k)

Vì phản ứng giữa C và O2 luôn luôn kèm theo sự tạo thành CO2 Trong những trường hợpnhư vậy việc xác định hiệu ứng nhiệt được thực hiện bằng phương pháp gián tiếp

- Việc xác định gián tiếp hiệu ứng phản ứng dựa trên định luật Hess: “ Hiệu ứng nhiệt của

một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của chất phản ứng, không phụ thuộc vào cách tiến triển của quá trình, nghĩa là số lượng và đặc trưng của các giai đoạn trung gian”

- Điều đó có nghĩa là trong quá trình của một phản ứng đã cho, từ các chất phản ứng(trạng thái đầu) đến các sản phẩm phản ứng (trạng thái cuối) có thể đi theo những con đườngkhác nhau Nhưng dù đi theo con đường nào thì hiệu ứng nhiệt cùng chỉ là một

∆H1 = ∆H2 = ∆H3 = ∆H4 = ∆H

Hiệu ứng nhiệt chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối

Hệ quả của định luật hess:

- Nếu phản ứng thuận có hiệu ứng nhiệt là ∆H thì phản ứng nghịch có hiệu ứng nhiệt là-∆H

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

Ứng dụng của định luật Hess

Dựa vào định luật Hess có thể xác định hiệu ứng nhiệt của một quá trình đã cho nào đó bằng hai cách sau:

Cách 1: Xác định ∆H của một quá trình khác có cùng trạng thái đầu và trạng thái cuối Quá

trình thứ hai này thường là một quá trình nhiều giai đoạn, trong đó ∆H của mỗi giai đoạn đều

đã biết

Cách 2: Thiết lập một quá trình vòng (chu trình) gồm nhiều giai đoạn trong đó một giai đoạn

là quá trình đang xét và ∆H của tất cả các giai đoạn còn lại đều đã biết

∆H1

∆H3

½ O2(k) + O2(k)

∆H2

vẽ giản đồ và áp dụng qui tắc cộng vectơ)

III Mối quan hệ giữa hiệu ứng nhiệt và một số đại lượng nhiệt hóa, phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của một số quá trình quan trọng và phổ biến trong hóa học.

1 Sinh nhiệt.

- Định nghĩa: sinh nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một molchất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững

- Sinh nhiệt của các đơn chất bền thì bằng 0

- Sinh nhiệt của các chất tính ở điều kiện tiêu chuẩn gọi là sinh nhiệt tiêu chuẩn, kí hiệu là

CO(k)

∆H2

∆H3

½ O2(k) ½ O2(k)

∆H1

Giải: Theo định nghĩa, sinh nhiệt của các chất là hiệu ứng nhiệt của các phản ứng sau:

- Lúc đầu khái niệm thiêu nhiệt được áp dụng chủ yếu cho các hợp chất hữu cơ, trong đósản phẩm của sự cháy là CO2 và H2O ở thể lỏng Về sau khái niệm này được mở rộng cả chocác chất khác nữa.

- Thiêu nhiệt của các nguyên tố cũng chính là sinh nhiệt của oxit bền nhất của nó

- Thiêu nhiệt các oxit bền nhất là bằng 0

- Ứng dụng: có thể tính hiệu ứng nhiệt của một phản ứng khi biết thiêu nhiệt của các chất phản ứng và sản phẩm

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

3 Nhiệt chuyển pha

- Quá trình chuyển pha là quá trình trong đó một chất chuyển từ một trạng thái tập hợpnày sang một trạng thái tập hợp khác

- Các quá trình chuyển pha thường gặp là:

2CO2(k)+2H2O(k)

- Có thể xác định nhiệt chuyển pha của các quá trình nhờ định luật Hess.

Ví dụ: Xác định hiệu ứng nhiệt của quá trình: C (graphit) → C (kim cương) ∆H1 = ?

biết C(gr) + O2(k) → CO2(k) ∆H2 = - 94,052 kcal/mol

C(kim cương) + O2(k) → CO2(k) ∆H3 = - 94,505 kcal/mol

Giải: lấy (2) trừ đi (3) sẽ thu được (1) Do đó

Từ sơ đồ áp dụng định luật Hess ta có:

∆H hóa hơi = H H O k02 ( ) - H H O l02 ( )= - 57,80 – (- 68,32) = 10,52 kcal/mol

4 Nhiệt phân li và năng lượng liên kết hóa học.

- Định nghĩa: nhiệt phân li của một chất là năng lượng cần thiết để phân hủy một mol phân tửcủa chất đó ở thể khí thành các nguyên tử ở thể khí

Ví dụ: H2(k) → 2H(k) ∆H = 104,2 kcal/mol

O2(k) → 2O(k) ∆H = 117,0 kcal/mol

CH4(k) → C(k) + 4H(k) ∆H = 398,0 kcal/mol

- Nhiệt phân li còn được gọi là nhiệt nguyên tử hóa

- Năng lượng liên kết hóa học là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó để tạo thành cácnguyên tử ở thể khí

- Nhiệt phân li hay nhiệt nguyên tử hóa của một chất bằng tổng năng lượng liên kết hóa họccủa tất cả các liên kết trong phân tử của nó

Giải: ∆H = 2 355,7 – 2 61,2 – 498,7 = 90,3 kJ.

5 Năng lượng mạng lưới ion.

- Phần lớn các chất rắn có cấu tạo mạng tinh thể Trong tinh thể các phần tử cấu trúc (nguyên

tử, phân tử, ion) liên kết với nhau Độ mạnh của các liên kết này được đặc trưng bằng năng lượngmạng lưới tinh thể, kí hiệu là Utt

- Năng lượng mạng lưới tinh thể của một chất là lượng nhiệt cần thiết để chuyển một mol chấtchất đó từ trạng thái tinh thể sang trạng thái khí

- Đối với mạng tinh thể ion có thể tính chính xác năng lượng mạng lưới tinh thể khi biết cácđại lượng nhiệt hóa học khác như sinh nhiệt của chất, nhiệt thăng hoa, nhiệt phân li, năng lượngion hóa, ái lực với electron…

VD: Xác định năng lượng mạng lưới tinh thể của NaCl khi biết các giá trị nhiệt hóa cần thiết.Giải: Ta lập chu trình Born-Haber

(k) + Cl(k)

Na+ (k) + Cl- (k)

Từ đồ thị ta có Utt = - ∆H0+ ∆Ht/hoa + ½ ∆Hpli + ∆Hion hóa + ∆Hal

= - (- 98,2) + 26,0 + 58, 4

2 + 120 + (- 88,5) = 184,9 kcal.

Thực tế năng lượng mạng lưới tinh thể được tính toán dựa trên cấu trúc hình học củamạng lưới tinh thể Vì vậy người ta dùng chu trình Born-Haber để xác định ái lực electron củacác nguyên tố, là đại lượng khó xác định bằng thực nghiệm

6 Nhiệt hiđrat hóa của các ion

- Thực nghiệm cho thấy quá trình hòa tan cũng kèm theo hiệu ứng nhiệt được gọi là nhiệthòa tan Ví dụ: nhiệt hòa tan của NaCl là 0,9 kcal/mol

- Mặt khác thực nghiệm cũng cho thấy quá trình hòa tan các hợp chất ion thì trong dungdịch tồn tại các ion Như vậy quá trình hòa tan này đã xảy ra sự phá vỡ mạng lưới tinh thể chấttan Quá trình này đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng khá lớn Vậy tại sap nhiệt hòa tan lạirất bé?

- Điều đó được giải thích là do các ion được tạo thành do sự phá vỡ mạng lưới tinh thể củachất tan không tồn tại ở dạng tự do như các ion thể khí mà tương tác với dung môi nước Quátrình đó được gọi là quá trình hiđrat hóa, còn các sản phẩm tạo thành được gọi là các ionhiđrat hóa Quá trình hiđrat hóa về bản chất là một quá trình hóa học phát nhiệt Hiệu ứngnhiệt của quá trình này được gọi là nhiệt hiđrat hóa của ion Chính lượng nhiệt này đã bù đắplượng nhiệt cần tiêu thụ để phá vỡ mạng lưới tinh thể

- Vậy quá trình hòa tan một chất vào nước để tạo thành dung dịch là tổ hợp của các quá trình: + Quá trình phá vỡ mạng tinh thể của chất tan để hình thành ion tự do Quá trình này thunhiệt

+ Quá trình hiđrat hóa của các ion vừa được tạo thành Quá trình này phát nhiệt

- Hiệu ứng nhiệt của quá trình tổng cộng-nhiệt hòa tan là tổng hiệu ứng nhiệt của hai quátrình trên Ví dụ: quá trình hòa tan của NaCl có thể biểu diễn như sau

- Như vậy, có thể tính được nhiệt hòa tan của một chất bất kì nếu biết năng lượng mạnglưới tinh thể và năng lượng hiđrat hóa của các ion tương ứng của nó Nhưng việc xác địnhnăng lượng hiđrat hóa của các ion bằng thực nghiệm là việc khó khăn vì các ion dương và âmluôn đi cùng nhau Để khắc phục điều đó người ta qui ước một đại lượng gọi là sinh nhiệt tiêuchuẩn của ion hiđrat hóa.

- Sinh nhiệt tiêu chuẩn của ion hiđrat hóa là hiệu ứng nhiệt của quá trình tạo thành mộtmol ion hiđrat hóa từ đơn chất ở trạng thái bền vững Vi dụ: sinh nhiệt tiêu chuẩn của

tiêu chuẩn và nhiệt hiđrat hóa của các ion khác Sau đây là sinh nhiệt tiêuchuẩn của một số ion hiđrat hóa:

Li+ (k)

Li+ (k)

Li+ (r)

Li+.aq

hid Li



Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Định luật Kiếc - xốp

- Định luật kiếcsốp phản ánh sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ:

- Trong trường hợp T1 và T2 khác nhau không nhiều lắm người ta giả thiết rằng nhiệt dung

Ví dụ: Tính nhiệt độ của ngọn lửa CO cháy trong hai trường hợp sau:

a) Cháy trong oxy tinh khiết (20% oxy và 80% nitơ theo thể tích)

b) Cháy trong oxy tinh khiết

Cho biết lượng oxy vừa đủ cho phản ứng, nhiệt độ lúc đầu là 25oC

Entanpi cháy của CO ở 25oC và 1atm là 283kJ.mol-1 Nhiệt dung mol chuẩn của các chấtnhư sau:Co (CO2, k) = 30,5 + 2.10-2T

(Để đạt được hiệu quả cao nhất, học sinh nên thực hiện quá trình học theo trình tự gợi ýsau đây)

- Bước 1: Học sinh đọc kĩ lí thuyết cơ bản, vận dụng trả lời các câu hỏi lí thuyết từ 1-11.

- Bước 2: Vận dụng cách làm bài tập trong các ví dụ ở phần lí thuyết, học sinh tự làm các

bài tập tính toán cơ bản từ 12-22, trước khi tham khảo đáp án phía sau

- Bước 3: Sau khi đạt được một số kĩ năng nhất định từ bước 2, HS tiếp tục hoàn thiện

thêm kĩ năng bằng việc làm các bài tập không lời giải (chỉ có đáp số để so sánh)

- Bước 4: Làm các bài tập ở trình độ học sinh giỏi quốc gia

I Câu hỏi lí thuyết hệ thống

1 Định nghĩa hệ, môi trường, hệ cô lập, hệ kín, hệ hở, hệ đoạn nhiệt Cho ví dụ.

2 Thế nào là thống số trạng thái, thông số dung độ và cường độ? Cho ví dụ.

3 Định nghĩa trạng thái cân bằng của một hệ Khi nào trạng thái cân bằng của một hệ bị biến

đổi? Phân biệt sự biến đổi thuận nghịch và bất thuận nghịch

4 Hàm trạng thái là gì? Nội năng U, công W, nhiệt lượng Q, nhiệt đẳng áp QP và nhiệt đẳngtích QV có phải là những hàm trạng thái không?

5 Biểu thức toán của nguyên lý I của nhiệt động học?

6 Thế nào là nhiệt phản ứng đẳng áp, phản ứng thu nhiệt Qui ước dấu của hiệu ứng nhiệt

đối với hai loại phản ứng này như thế nào? Lấy ví dụ

7 Định nghĩa nhiệt sinh chuẩn của một chất Nhiệt sinh chuẩn của C kim cương có bằng số

không không? Tại sao? Định nghĩa nhiệt cháy chuẩn của một chất Tại sao nói nhiệt sinh chuẩncủa CO2(k) bằng nhiệt cháy chuẩn của C graphit? Hãy lấy ví dụ phản ứng mà hiệu ứng nhiệt củaphản ứng chính là nhiệt sinh chuẩn của H2O(l) và cũng là nhiệt cháy chuẩn của H2(k)

8 Phát biểu định luật Hess và các hệ quả của nó Lấy ví dụ minh họa.

9 Định nghĩa nhiệt dung mol đẳng áp và đẳng tích của một chất Công thức tính nhiệt lượng

cần thiết để nâng nhiệt độ của n mol chất nguyên chất từ T1 đến T2 ở P = const

10 Công thức Kirchhoff về ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu ứng nhiệt của phản ứng?

11 Nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ sôi và nhiệt nóng chảy của chất nguyên chất là gì? Tại sao khi

chất nguyên chất nóng chảy hoặc sôi ở P = const thì nhiệt độ không đổi mặc dầu vẫn phảicung cấp nhiệt lượng

II Bài tập tính toán (có đáp án)

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

- Giãn nở từ 5 atm xuống 1 atm;

- Nén từ 1 atm đến 5 atm

Khí được coi là lí tưởng So sánh các kết quả thu được và rút ra kết luận

13 Ở 25C phản ứng sau: 2H2O(k) + O2(k) ����� 2H� 2O(h) tỏa ra một nhiệt lượng là 483,66 kJtrong điều kiện áp suất riêng phần của mỗi khí trong phản ứng bằng 1 atm và phản ứng thực

hiện ở áp suất là hằng số Nhiệt bay hơi của nước lỏng ở 25C và 1 atm là 44,01 kH.mol-1:

- Tính nhiệt sinh chuẩn của H2O(h) và H2O(l) ở 25C;

- Tính nhiệt lượng tỏa ra khi dùng 6g H2 để phản ứng tạo thành H2O(l)

14 Đốt cháy một lượng xác định C2H5OH(l) ở P = const = 1 atm và 273K trong sự có mặt của22,4 dm3tỏa ra 343 kJ:

- Tính số mol C2H5OH đã dùng, biết rằng sau phản ứng còn lại 5,6 dm3 oxi ở điều kiện chuẩn(273 K và 1atm);

- Tính nhiệt cháy chuẩn của C2H5OH ở 273 K;

- Ở 273 K nhiệt cháy chuẩn cử axit axetic là -847,5 kJ/mol

Tính H0273 của phản ứng: C2H5H(k) + O2(k)  CH3COOH(l) + H2O(l)

18 Tính H của phản ứng sau ở 473K: CO(k) +

2

1

O2(k) ����� CO� 2(k) cho biết ΔH0298,s của

CO(k) và CO2(k) lần lượt là -110,52 và -393,51 kJ.mol-1 và C (J.K0p -1mol-1) của các chất sau:

0 p

C (COk) = 26,53 + 7,7.10-3 T – 1,17.10-6 T2 0

p

C (CO2k) = 26,78 + 42,26.10-3 T – 14,23.10-6 T2 0

a , 298

22 Thiết lập chu trình Born – Haber để tính năng lượng mạng lưới ion của CaCl2, biết rằng:

- H0298 , s của tinh thể CaCl2 là H0298 , s = - 795 kJ.mol-1

- Năng lượng ion hóa Ca: Ca(k) – 2e Ca2+(k), I1 + I2 = 1745 kJ.mol-1

- Năng lượng liên kết Cl – Cl trong Cl2 là 243 kJ.mol-1

- Năng lượng kết hợp elentron E của Cl:

P

P V

n 1

P P

P nRT P

nRT P

1 1

1

= - 2993J

tn 2

1 '

5

1 ln 300 314 , 8 5 , 1 P

P ln nRT

J 14965 1

5 5

5 300 314 , 8 5 , 1

Trong sự biến đổi thuận nghịch công hệ sinh lớn hơn so với sự biến đổi bất thuận nghịch

13 Phản ứng thực hiện ở P = const nên nhiệt phản ứng là nhiệt đẳng áp H Điều kiện

chuẩn của sự tạo thành một mol hơi nước từ các đơn chất bền ở T = const là:

  1 atm P

P

PH O HOh

2 2

.Vậy nhiệt sinh chuẩn của H2O(h) ở 250 C là: ∆H

o s ,

289 =- 2

66 ,

483

= - 241,83 kJ/mol

- Nhiệt sinh chuẩn của HO(l) ở 250 C là:

6 , 5 4 , 22

= - 679231,5 + 10,844T = - 679231,5 + 10,844 500 = - 673809,5J

       

J H

H

dT nC nL

dT nC nL

dT nC

H

o

o

r h h

r nc

r o o

35172

373 773 4

10 373 773 2

2 , 30 2

40660 273

373 2

3 , 75 2

6004 223

273 2

56

,

773 373 373

273 1 273

289 (HClk) = 201 + 112,5 + 44,01 – 41,13 –92,3  2

2247 kJ.mol-1

H2O(r) H2O(r) H2O(l) H2O(l) H2O(h) H2O(h)

773

373 93,85

III Bài tập tính toán (không có đáp án)

23: Tính công thực hiện trong các quá trình sau đây

1 Bay hơi 100 gam nước ở 100oC và 1atm

2 0,1 mol K2CO3 bị phân hủy bởi axit HCl ở 1bar và 273K

3 2 mol NaN3 bị phân hủy cho Na và N2 ở 1bar và 300K

4 1,2 mol C2H4 tác dụng với 1,2 mol H2 ở 2bar và 200K

Đáp số: 1 -17,23 kJ; 2 -0,227 kJ; 3 -7,434 kJ; 4 2,993 kJ.

24: Tính nhiệt, công, độ biến thiên entanpi khi cho hóa hơi 6 gam toluen ở 383 K (nhiệt độ sôi

của toluen) và 1 atm Nhiệt hóa hơi của toluen là 33,6 kJ.mol-1 Chấp nhận hơi toluen là khí lítưởng và thể tích của chất lỏng nhỏ, không đáng kể so với thể tích hơi

3 Nén đoạn nhiệt đến áp suất gấp đôi lúc đầu;

4 Nấu nóng đẳng tích tới áp suất gấp đôi lúc đầu

Chấp nhận rằng CO2 là khí lí tưởng và nhiệt dung đẳng áp của nó không đổi trong điềukiện khảo sát và bằng 37,1 mol-1K-1

Đáp số: 1 ΔU=0;ΔH=0;W= -7,07kJ;Q=7,07kJ

a Tính ΔUđối với mỗi phản ứng.

b Trong hai dạng glucozơ dạng nào bền hơn?

28: Entanpi sinh tiêu chuẩn của CH4(k) và C2H6(k) lần lượt bằng -74,80 và

– 84,60 kJ.mol-1 Tính entanpi tiêu chuẩn của C4H10(k) Biện luận về kết quả thu được Chobiết entanpi thăng hoa của than chì và năng lượng liên kết H-H lần lượt bằng 710,6 và -431,65kJ.mol-1

Đáp số: -104,33 kJ.mol -1

29: Tính hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn của các phản ứng sau đây

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

Cho biết ,298

o s

H

 (Fe2O3(r) ) = -822,2 kJ.mol-1; ,298

o s

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

a Fe2O3(r) + 3CO(k) ��� 2Fe(r) + 3CO2(k) ΔH = 28,17 kJ0298

b Cthan chì + O2(k) ��� CO2(k) ΔH = -393,1 kJ0298

c Zn(r) + S(r) ��� ZnS(r) ΔH = -202,9 kJ0298

d 2SO2(k) + O2(k) ��� 2SO3(k) ΔH = -195.96 kJ0298

2 Khi cho 32,69 gam Zn tác dụng với dung dịch H2SO4 loãng, dư trong bom nhiệt lượng

kế ở 25oC, người ta thấy có thoát ra một nhiệt lượng là 71,48 kJ Tính hiệu ứng nhiệt đẳng ápcủa phản ứng ở nhiệt độ đó Cho biết Zn = 65,38

Đáp số: 1 Ba trường hợp a, b, c thì ΔU=ΔH; trường hợp d: 193,5 kJ

33 : Tính năng lượng mạng lưới BaCl2 từ hai dữ kiện tổ hợp sau đây :

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

Entanpi phân li của Cl2 : 238,26 kJ.mol-1

Entanpi thăng hoa của Ba : 192,28 kJ.mol-1

Năng lượng ion hóa thứ 1 của Ba : 500,76 kJ.mol-1

Năng lượng ion hóa thứ 2 của Ba : 961,40 kJ.mol-1

Ái lực electron của Cl : -363,66 kJ.mol-1

2 Hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan 1 mol BaCl2 vào nước: -10,16 kJ.mol-1

Nhiệt hiđrat hóa ion Ba2+: - 1344 kJ.mol-1

Nhiệt hiđrat hóa ion Cl-: - 363 kJ.mol-1

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

Đáp số: -2025 kJ.mol -1 ; -2059,78 kJ.mol -1

IV Bài tập nâng cao dành cho học sinh giỏi

Bài 1: Một phản ứng dùng để luyện kẽm theo phương pháp khô là:

Bài 2: Hợp chất Q (khối lượng mol phân tử là 122,0g.mol-1) gồm có cacbon, hydro và oxy.Nhiệt sinh (entanpi tạo thành) tiêu chuẩn của CO2(k) và H2O(l) tại 25oC tương ứng là –393,51 và285,83kJ.mol-1 Hằng số khí R = 8,314J.K-.mol-1.Dùng lượng dư oxy đốt cháy hết một mẫu

Sau khi phản ứng xong, nhiệt độ lên tới 27,250oC và có 1,5144g CO2(k) và 0,2656g H2O đượctạo thành

1 Hãy xác định công thức phân tử và viết, cân bằng phương trình phản ứng đốt cháy Qvới trạng thái vật chất đúng Cho nhiệt dung riêng của nước là 4,184J.g-1.K-1 và biến thiên nộinăng của phản ứng trên (∆Uo) là -3079kJ.mol-1

2 Hãy tính nhiệt dung của nhiệt lượng kế đó (không kể nước)

3 Hãy tính nhiệt sinh (entanpi tạo thành) tiêu chuẩn (∆Ho

f) của Q

Bài 3: Vào ngày 1tháng 7 năm 2000, đường hầm và cầu nối giữa Đan Mạch và Thụy Điển

chính thức được mở cửa Nó bao gồm một đường hầm từ Copenhagen đến một hòn đảo nhântạo và một chisc cầu từ hòn đảo đó đến Malmo ở Thụy Điển Vật liệu chính dung để xây dựng

là thép và bêtông Bài này sẽ đề cập đến việc sản xuất và thoái hóa của từng vật liệu

Bêtông được hình thành từ một hộn hợp của ximăng, nước, cát và đá nhỏ Ximăng chứa chủyếu canxi silicat và canxi aluminat được sinh ra bằng cách đun nóng và nghiền nhỏ hỗn hợp đấtsét và đá vôi Bước tiếp theo trong việc sản xuất ximăng là thêm một lượng nhỏ thạch caoCaSO4.2H2O để làm tăng cường độ cứng của bêtông Bước cuối cùng ta nâng nhiệt độ lên nhưng

có thể nhận được sản phẩm không mong muốn hemihydrat CaSO4.0,5H2O theo phản ứng:

Bài 4: Nhiệt cháy (entanpi cháy, ∆Ho) và nhiệt tạo thành tiêu chuẩn (entanpi tạo thành tiêuchuẩn ∆Ho

f) của một nhiêt liệu (chất đốt) có thể được xác định bằng cách đo biến đổi nhiệt độtrong một calo kế khi một lượng xác định nhiên liệu được đốt cháy trong oxy

1 Cho 0,542g iso-octan vào một calo kế có dung tích không đổi (“bom”), mà bao quanhbình phản ứng là 750g nước tại 25,000oC Nhiệt dung của chính calo kế (không kể nước) đãđược đo trước là 48JK-1 Sau khi iso-octan cháy hết, nhiệt độ của nước đạt 33,220oC Biếtnhiệt dung riêng của nước bằng 4,184J.g-1.K-1, hãy tính biến thiên nội năng ∆Uo của sự đốtcháy 0,542g iso-octan

2 Hãy tính ∆Uo của sự đốt cháy 1mol iso-octan

3 Hãy tính ∆Ho của sự đốt cháy 1mol iso-octan

Là 1,80.103L.mol-1 tại 25oC và 3,45.103L.mol-1 tại 40oC

5 Giả sử ∆Ho không tùy thuộc vào nhiệt độ, hãy tính ∆Ho, ∆So

6 Hãy tính các hằng số cân bằng KP và Kx tại 298,15K và áp suất toàn phần là 1atm

(Các ký hiệu Kp, KC và Kx lần lượt là hằng số cân bằng xét theo nồng độ, áp suất và theophân số mol)

7 Mặc dù iot không dễ tan trong nước nguyên chất nhưng nó dễ dàng tan trong nước cóchứa ion I-(dd) I2(dd) + I-(dd) → I3-(dd)

Hằng số cân bằng của phản ứng này được đo như là một hàm nhiệt độ với các kết qủa sau:

Hãy ước lượng ∆Ho của phản ứng này

Bài 5: Amoni hydrosunfua là một hợp chất không bền dễ dàng phân hủy thành NH3(k) và

a) Tính ∆Ho, ∆So, ∆Go tại 25oC của phản ứng trên.

b) Hãy tính hằng số cân bằng Kp tại 25oC của phản ứng trên

c) Hãy tính hằng số cân bằng Kp tại 35oC của phản ứng trên giả thiết rằng cả ∆Hovà ∆So

không phụ thuộc nhiệt độ

d) Hãy tính áp suất toàn phần trong bình chứa nếu phản ứng phân hủy đạt cân bằng tại 25oC

4) Tính thiêu nhiệt đối với sự đốt cháy 1 mol mỗi chất propan và butan trong không khí ởcác điều kiện đã cho

5) So với câu 2 thì câu 4 có hiệu suất bao nhiêu % và cách tích trữ năng lượng khác nhau nhưthế nào?

6) Tính hiệu suất của qúa trình đốt cháy như là một hàm của nhiệt độ ở khoảng nhiệt độ từ

25oC đến 300oC Giả sử rằng nước không ngưng tụ

7) So sánh thiêu nhiệt tích lũy khi đốt cháy 1L mỗi chất propan và butan lỏng Giả thiết rằngnhiệt độ của sản phẩm là 100oC

Cho biết: dpropan(l) = 0,493g.cm-3; dbutan(l) = 0,573g.cm-3

Propan(k): ∆fHo = -103,8kJ.mol-1Cp = 73,6J.mol-1.K-1

Butan(k): ∆fHo = -125,7kJ.mol-1 Cp = 140,6J.mol-1.K-1

CO2(k): ∆fHo = -393,5kJ.mol-1 Cp = 37,1J.mol-1.K-1

H2O(l): ∆fHo = -285,8kJ.mol-1 Cp = 75,3J.mol-1.K-1

H2O(k): ∆fHo = -241,8kJ.mol-1 Cp = 33,6J.mol-1.K-1

O2(k): ∆fHo = 0kJ.mol-1 Cp = 29,4J.mol-1.K-1

N(k): ∆Ho = 0kJ.mol-1 C = 29,1J.mol-1.K-1

Bài 7: 6,0 mol hydro được đun nóng trong điều kiện đẳng tích Khí được nén lại từ áp suất

100kPa ở 0,0oC đến áp suất gấp 2,5 lần áp suất ban đầu Nhiệt dung mol đẳng tích của hydro

là CV = 20,56J/mol.K

1 Tính nhiệt độ sau khi nén

2 Tính sự thay đổi entropy của qúa trình này

3 Tính nhiệt dung mol đẳng áp của qúa trình này

1,0L argon được làm lạnh đẳng áp từ điều kiện thường xuống nhiệt độ thấp hơn 50K sovới điều kiện ban đầu

4 Tính nhiệt thoát ra khi làm lạnh khí

5 Tính thể tích cuối cùng của qúa trình làm lạnh

6 Tính biến thiên nội năng của qúa trình

Bây giờ chúng ta khảo sát phản ứng sau:

thì từ thực nghiệm ta thu được các kết qủa sau đây:

a) Vẽ đồ thị và dựa vào đó để tính entanpy của sự hóa hơi

b) Nhiệt độ sôi của n – propanol ở 101,3mbar

c) Ở áp suất nào thì n – propanol sôi ở 45oC?

Chuyên đề: Cân bằng hoá học

THPT chuyờn Biờn Hoà, tỉnh Hà Nam

A.Đặt vấn đề:

Trong các đề thi HSG những năm gần đây luôn có các bài tập

cân bằng hoá học Vì vậy việc giảng day và rèn luyện cho học sinh phần

lý thuyết và bài tập cân bằng hoá họclà rất quan trọng Để đáp ứng yêu cầu đó tôi mạnh dạn đề xuất một số phần lí thuyết cơ bản liên quan

đến cân bẳng hoá học và bài tập theo ba dạng

d D

c C

a a

a a

[

] ].[

[

b a

d c

B A

D C

Xét P :

K p =

d D

c

P

=Kc.(RT) n

n = c+d-(a+b)Xét n độ phần mol

B

a A

d D

c C

x x

x x

.

[

] ].[

[

b a

d c

B A

D C

= O

(nđộ C,D tăng lên ) khi đó cd theo chiều thuận

+ Với p thu nhiệt Ho > 0 => khi T tăng => K tăng => cbcd theo chiều

4/ Khi thêm một khí trơ vào hệ cân bằng trong pha khí.

- Khi thêm khí trơ ở V= const không làm thay đổi ttcb vì p riêng phần

không thay đổi

- Khi thêm khí trơ ở P= const có thể làm thay đổi ttcb vì p riêng phần

giảm

II Bài tập (cân bằng hệ đồng thể pha khí)

Dạng 1 Bài áp dụng định luật tác dụng khối lợng.

Bài.1 Cho 2 SO2 + O2 2 SO3 Ban đầu chỉ chứa SO2 , O2 và

N2

Biết ở 700 K và p=1atm thành phần của hệ khi cân bằng là

N2 : 84,12 mol

- =

51,10

30,

10

100 = 98%

Bài.2 ở 1000 K hằng số cân bằng

2SO2 + O2 2SO3 Kp = 3,50atm-1

HD: Gọi x = PSO2 => PSO3 = 1,8-x

Kp =

2,0

)8,1(

Bài 3 Một bình phản ứng dung tích 10(l) ban đầu chỉ chứa 0,2 mol H2

)10/2(

cân bằng đợc áp suất hệ là: 1,25atm (V,T = const)

a/ Tính độ phân li và áp suất riêng phần từng cấu tử

b/ Thiết lập biểu thức liên hệ giữa độ phân li  và áp suất hệ

= Po(1+ α )

phân li thay đổi nh thế nào?

c/ Cần phải nén đẳng nhiệt hh khí tới aps suất nào để độ phân libằng 8%?

HD

a/ Đặt là số mol N2O4 có ban đầu là 1 mol

 là độ phân li của N2O4 ở toC

KP =

$ 2

2 2

O N

)1

50

a) Hãy cho biết đơn vị của trị số đó và giải thích: hằng số cân bằng

Kp này phải có đơn vị nh vậy

bằng ở điều kiện đã cho

đạt tới cân bằng Các khí đợc coi là khí lý tởng

Giải:

Đây là % theo số mol, cũng là % theo thể tích Vậy khi (1) đạt tới

Thực nghiệm cho biết các số liệu sau khi (1) đạt tới trạng thái cân bằng ở

áp suất chung 1 atm:

h

c) Cho biết (1) là phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt Giải thích? (Khitính lấy tới chữ số thứ 3 sau dấy phẩy)

HD

2

2 1 P Kp





