bài tập nhiệt động học

Từ thực nghiệm thu được trị số H theo Kcal.mol-1 phân ly từng liên kết ở 250C như sau: Hãy giải thích cách tính và cho biết kết quả tính H cũng ở điều liện như trên của sự đồng phân h

BÀI TẬP VỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC

1 Tính năng lượng liên kết trung bình CH và CC từ các kết quả thực nghiệm sau:

- Nhiệt đốt cháy CH4 = - 801,7 kJ/mol

- Nhiệt đốt cháy C2H6 = - 1412,7 kJ/mol

- Nhiệt đốt cháy Hidrro = -241,5 kJ/mol

- Nhiệt đốt cháy than chì = -393,4 kJ/mol

- Nhiệt hóa hơi than chì = 715 kJ/mol

- Năng lượng liên kết HH = 431,5 kJ/mol

Các kết quả đều đo được ở 298K và 1atm

Bài giải: Ta sắp xếp các phương trình (kèm theo ký hiệu nhiệt) sao cho các chất ở 2 vế triệt tiêu

bớt để còn lại phương trình CH4 C (r)+ 4H

CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O H1

2H2O  O2 + 2H2 - H2

CO2  O2 + C (r) - H3

C (r)  C (k) H4

2H2  4H 2H5

Tổ hợp các phương trình này ta được CH4 C(r) + 4H

4H0C  H = H1 - H2 - H3 + H4 + 2H5

= - 801,5 + 483 + 393,4 + 715 + 2(431,5) = 1652,7 kJ/mol

và Năng lượng liên kết CH = 1652,7 : 4 = 413,715 kJ/mol

Bằng cách tương tự tính được Năng lượng liên kết CC = 345,7 kJ/mol

2 Từ thực nghiệm thu được trị số H (theo Kcal.mol-1) phân ly từng liên kết ở 250C như sau:

Hãy giải thích cách tính và cho biết kết quả tính H (cũng ở điều liện như trên) của sự đồng phân hóa: CH3CH2OH (hơi)  CH3-O-CH3 (hơi)

Nêu sự liên hệ giữa dấu của H với độ bền liên kết trong phản ứng trên

 CH3CH2OH có 1 liên kết C  C ; 5 liên kết C  H ; 1 liên kết C  O và 1 liên kết O  H

Năng lượng cần thiết phá vỡ các liên kết này = (83) + (995) + (84) + (111) = 773 Kcal/mol

CH3  O  CH3 có 6 liên kết C  H và 2 liên kết C  O

Năng lượng tỏa ra khi hình thành các liên kết này = (99  6) + (84  2) = 762 Kcal/mol

Vậy phản ứng trên là thu nhiệt, H = 773  762 = 11 Kcal/mol

H mang dấu + chứng tỏ độ bền liên kết của CH3CH2OH > CH3OCH3

3 Trong công nghệ hoá dầu , các ankan được loại hiđro để chuyển thành hiđrocacbon không no

có nhiều ứng dụng hơn Hãy tính nhiệt của mỗi phản ứng sau:

C 4 H 10  C 4 H 6 + H 2 ; Ho1 (1)

CH 4  C 6 H 6 + H 2 ; Ho2 (2)

Biết năng lượng liên kết , E theo kJ.mol-1 , của các liên kết như sau :

( Với các liên kết C-H , C-C , các trị số ở trên là trung bình trong các hợp chất hiđrocacbon khác nhau )

 2) Tính nhiệt của phản ứng :

* Tìm hệ số cho các chất

C 4 H 10  C 4 H 6 + H 2 ; Ho1 (1)

hay H3C - CH2- CH2-CH3  CH2=CH-CH=CH2 + 2H2

6 CH 4  C 6 H 6 + 9 H 2 ; Ho2 (2)

m n Trong đó Ei , Ej là năng lượng liên kết

* Từ Hophản ứng =  i Ei _  j Ej ở vế đầu và cuối (tham gia , tạo thành)

i = 1 j = 1 trong phản ứng

i , j số liên kết thứ i , thứ j

Do đó Ho1 = ( 10 EC-H + 3EC-C ) - (6 EC-H + 2 EC=C + EC-C + 2 EH-H )

Thay số , tính được Ho1 = + 437,0 kJ.mol-1

Tương tự , ta có

Ho2 = 24 EC-H - ( 3EC-C + 3 EC=C + 6 EC-H + 9 EH-H )

Thay số , tính được Ho2 = + 581,1 kJ.mol-1 (Ho2 > 0 , phản ứng thu nhiệt )

ĐS: H10 = + 437,0 kJ/mol và H02= + 581,1 kJ/mol

4 Xác định năng lượng liên kết trung bình một liên kết C – H trong metan Biết nhiệt hình thành

chuẩn của metan = –74,8 kJ/mol; nhiệt thăng hoa của than chì = 716,7 kJ/mol; năng lượng phân

ly phân tử H2 = 436 kJ/mol

 Theo định nghĩa: năng lượng liên kết trong CH4 là H0298 của quá trình:

CH4(k)  C (k) + 4H (k)

Theo giả thiết: C (r) + 2H2 (k)  CH4 H0h t. =  74,8 kJ/mol

C (r)  C (k) H0t h. = 716,7 kJ/mol

H2 (k)  2H (k) H0

.

p l = 436 kJ/mol

Tổ hợp 3 quá trình này cho: H0

298 = 74,8 + 716,7 + (2  436) = 1663,5 kJ/mol

Vậy năng lượng liên kết trung bình của 1 liên kết C  H = 1663,5 : 4 = 416 kJ/mol

5 Tính năng lượng liên kết O – H trong phân tử nước, biết:

H2O (l) = H2O (k) H = 40,6 kJ/mol (1)

2H (k) = H2 (k) H = – 435 kJ/mol (2)

O2 (k) = 2O (k) H = 489,6 kJ/mol (3)

2H2 (k) + O2 (k) = 2H2O (l H = – 571,6 kJ/mol (4) (– 462,5 kJ/mol)

6 Hãy xác định năng lượng nguyên tử hóa của NaF (ENaF), biết:

- Năng lượng phân ly NaF (Ei) = 6,686 eV

- Thế ion hóa của Na (INa) = 5,139 eV

- Aí lực electron của F (EF) = -3,447 eV

Bài giải: Ta lập các quá trình kèm theo các ký hiệu năng lượng:

NaF Na+ + F  Ei

Na+ + e Na - INa

F-  e F - EF

Tổ hợp 3 quá trình này ta được:

NaF Na + F ENaF = Ei - INa - EF =

= 6,686 - 5,139 + 3,447 = 4,994 eV

7 Hãy so sánh H0298của phản ứng khử Fe2O3 bằng các chất khử khác nhau: H2,C và CO Qua đó cho biết để khử sắt oxit thì dùng chất nào tốt nhất Biết :

H0298(kJ/mol) - 822,200 - 241,8 - 110,5 - 393,5

ĐS: H H2 = + 96,8 kJ ; H C = + 231,95 kJ ; H CO = – 26,8 kJ

8 Khử Fe2O3 bằng nhôm đến tạo Fe Tính:

a) H0298 của phản ứng biết dưới áp suất 1 atm và 250C cứ khử được 47,87 g Fe2O3 thì thoát ra 254,08kJ

b) H0

298 sinh của Fe2O3 Biết H0

298sinh(Al2O3) = - 1669,79 kJ/mol

ĐS: a) – 847,59 kJ/mol b) – 822,20 kJ/mol

9 Khi đốt cháy amoniac tạo ra nitơ và H2O (l) Biết ở 250C và 1atm cứ tạo được 4,89lít N2 thì thoát ra 153,06 kJ và H0298 sinh (H2O lỏng) = - 285,84 kJ/mol Tính:

a) H0

298 của phản ứng?

b) H0298 sinh của NH3(k)

ĐS: a) – 1530,60 kJ/mol b) – 46,11 kJ/mol

10 Khi đốt cháy 0,532 g hơi benzen ở 250C và thể tích không đổi với một lượng oxi dư toả ra 22475,746 J sản phẩm là CO2(k) và H2O(l) Tính :

a) Nhiệt cháy của benzen?

b) H0298 của phản ứng khi đốt cháy 1 mol benzen

ĐS: a) – 3295,316 kJ/mol b) H = – 3301,509 kJ/mol

11 ở 250C và 1atm nhiệt cháy của xiclopropan khí, của graphit, của hidro lần lượt bằng

– 2091,372; – 393,513 và – 285,838 kJ/mol Cũng ở điều kiện đó nhiệt tạo thành của propen khí bằng 20,414 kJ/mol Tính:

a)Nhiệt tạo thành của xiclopropan khí ở 250C ?

b) Hiệu ứng nhiệt của phản ứng đồng phân hoá xiclopropan (k) propen (k)?

ĐS: a) 53,319 kJ/mol b) H = – 32,905 kJ/mol

12 H0

298 phá vỡ liên kết của H2(k) và N2(k) lần lượt bằng 436 kJ/mol và 945kJ/mol Tính:

H0298 của phản ứng

ĐS: 1173 kJ/mol

13 ở 250C và 101,325 kPa H tạo thành cuả axêtonitryl CH3CN ở trạng thái khí = 88,0 kJ/mol Tính năng lượng liên kết C  N trong phân tử này từ các nguyên tử? Biết năng lượng cuả các liên kết C – H và C – C lần lượt bằng – 413 kJ/mol và – 348 kJ/mol

Cho: Cgraphit  Chơi H0298 thăng hoa = 718,4 kJ/mol

H(k)  1

2H2 (k) H

0

298 = – 218,0 kJ/mol

2N (k)  N2(k) H0298 = – 946,0 kJ/mol

ĐS: – 888,8 kJ/mol

14 Tính năng lượng mạng lưới của KBr Biết H0

298 sinh tinh thể KBr = – 392,0 kJ/mol H0298 bay hơi của brom = 30,7 kJ/mol

H0298 nguyên tử hoá của kali = 90,0 kJ/mol

H0298 tạo thành Br – Br = – 193,0 kJ/mol

ái lực electron của Br = – 333,0 kJ/mol Năng lượng ion hóa của K = 419,0 kJ/mol

ĐS: – 697,85 kJ/mol

15 Tính năng lượng mạng lưới ion của CaCl2 ,biết rằng:

- H0298,s của tinh thể CaCl2 = - 795 kJ/mol

- Nhiệt nguyên tử hóa H0 của Ca(r)  Ca(k) = 192 kJ/mol

- Năng lượng ion hóa: Ca(k)  2e  Ca2+ (k) I1 + I2 = 1745 kJ/mol

- Năng lượng liên kết (Elk) ClCl trong Cl2 = 243 kJ/mol

- ái lực electron (E) của Cl(k) = -364 kJ/mol

 Có thể thiết lập chu trình Born-Haber để tính toán theo định luật Hess:

Ca(r) + Cl2 (k) CaCl2(r)

H0298 s,

H0a EClCl -U

2

CaCl

(I1 + I2)Ca

Ca(k) + 2Cl(k) Ca2+(k) + 2Cl-(k)

2ECl

Hoặc sử dụng phương pháp tổ hợp cân bằng ta có:

Ca(r) + Cl2(k) CaCl2(r) H0298 s,

Ca(k) Ca(r) - H0a

2Cl (k) Cl2(k) - Elk

Ca2+(k) + 2e Ca(k) -(I1 + I2)

2 Cl-1(k)  e Cl (k)  -2E

Cộng các phương trình ta được Ca2+(k) + 2Cl-(k) CaCl2(r)

Năng lượng của quá trình này là năng lượng mạng lưới ion của CaCl2

và = H0298 s,  H0a Elk  (I1 + I2)  2E

= (-795)  192  243 1745  2(-364) = -2247 kJ/mol

16 Tính ái lực electron(E) của oxi từ các dữ kiện thực nghiệm sau:

- Thế ion hóa thứ nhất và thứ hai của Mg là I1= 7,7eV và I2= 15eV

- Năng lượng liên kết của O2 là: H0 = 493 kJ/mol

- Nhiệt thăng hoa của Mg là: Hth = 150 kJ/mol

- Nhiệt hình thành MgO là : Hs = - 610 kJ/mol

- Năng lượng mạng lưới ion của MgO là: U0 = -4054,89 kJ/mol

Bằng cách tính tương tự thu được E = - 861,926 kJ/mol

(Chú ý: tính I1 và I2 ra đơn vị kJ/mol = 22,7.1,6.10-19 6,02.1023.10-3 )

17 Từ thực nghiệm,biết năng lượng ion hóa thứ nhất(I1) của Li = 5,390 eV

Quá trình Li - 2e Li2+ có E = 81,009 eV Hãy tính:

Năng lượng ion hóa I2 và Năng lượng kèm theo quá trình Li - 3e  Li3+

Bài giải: Do Li - 1e  Li+

có I1 = 5,390 eV nên

Li+ + 1e  Li E01 = - I1 = - 5,390eV

Li - 2e  Li2+ E2 = 81,009 eV

Tổ hợp 2 quá trình này ta được năng lượng ion hóa I2

Li+ - e  Li2+ I2= E1 + E2 = 81,009 - 5,390 = 75,619 eV

Muốn tính năng lượng kèm theo quá trình Li - 3e  Li3+ ta cần tổ hợp 2 quá trình:

Li - 2e  Li2+ (đã cho) và Li 2+ - 1e  Li3+ (I3)

Li2+ là hệ 1e một hạt nhân, nên năng lượng của electron được tính theo công thức

E3 (Li3+ ) = - 13,6 2

2

n

Z

ở đây

1

3





n

Z

 E3 (Li3+ ) =-13,6 2

2

1

3

= -122,4 (eV)

Li 2+ - 1e  Li3+ I3 = - E3 = 122,4 eV

Li - 2e  Li2+ E2 = 81,009 eV

Li - 3e  Li3+

E = I3 + E2 = 203,41 eV

18 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

Al + 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 3H2

2Al + 1,5 O2  Al2O3 H3

3C + 1,5 O2  3CO 3H4

và 3 CO2  3C + 3 O2 3(-H5 )

Sau khi tổ hợp có kết quả là: 2Al + 3 Cl2  2AlCl3 Hx

và Hx = H1 + 3H2 + H3+ 3H4+ 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

19 Cho các số liệu nhiệt động của một số phản ứng sau ở 298K

(2) N

(4) H

S0

298 (N2H4) = 240 J/K.mol ; S0

298 (H2O) = 66,6 J/K.mol

S0

298 (N2) = 191 J/K.mol ; S0

298 (O2) = 205 J/K.mol a) Tính nhiệt tạo thành Ho298 của N2H4 ; N2O và NH3

b) Viết phương trình của phản ứng cháy Hidrazin và tính Ho298 , Go298 và hằng số cân bằng K của phản ứng này

c) Nếu hỗn hợp ban đầu gồm 2mol NH3 và 0,5mol O2 thì nhiệt của phản ứng (3) ở thể tích không đổi là bao nhiêu?

 a) Ta sắp xếp lại 4 phương trình lúc đầu để khi cộng triệt tiêu các chất và được

N2 + H2  N2H4 Đó là:

4N2 + 3H2O  2NH3 + 3N2O -H1

3N2O + 9H2  3N2H4 + 3H2O 3H2

2NH3 + 0,5 O2  N2H4 + H2O H3

H2O  H2 + 0,5 O2 -H4

Sau khi cộng ta được: 4N2 + 8H2  4N2H4 có 4H5

Suy ra H5 = (-H1 + 3H2 + H3 - H4) : 4

= (1011 - 3 317 - 143 + 286) : 4 = 50,75 kJ/mol

Từ H5 và H4 và H2 tính được HN O

2 = H5 + H4 - H2

= 50,75 - 286 + 317 = 81,75 kJ/mol

Từ H5 và H4 và H3 tính được H

3

NH = H5 + H4 - H3

= ( 50,75 - 286 + 143 ) : 2 = 46,125 kJ/mol

b) N2H4 + O2 N2 + 2H2O

H0298= 2  ( 286)  50,75 =  622,75 kJ/mol

S0298= 191 + (2  66,6)  205  240 =  120,8 J/K

G0298=  622,75  ( 120,8 10 3  298) =  586,75 kJ/mol

ln K =  G

RT



= 

3

586, 75.10

8, 314 298



 = 236,8 ; K = 10

103

Với n = 1  2,5 =  1,5 cho U =  143.103  (  1,5)  8,314  298 =  139 kJ

20 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

COCl2 (k) + 2NH3 (k)  CO(NH2)2(r) + 2HCl(k) H3 = -201,0 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

H2 (k) + Cl2 (k)  2HCl(k) 2H4

H2O(l)  H2O (h) H5

Sau khi cộng ta được phương trình như giả thiết ta được:

Hx = H1 - H2 - H3 + 2H4 + H5

= -41,13 + 112,5 + 201 - 184,6 + 44,01 = 131,78 kJ/mol

21 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 +

2

1

O2  H2O H3 ) 3CO2 + 3H2O  C3H6 xiclo + 4,5O2 (-H4 )

Tổ hợp được 3C + 3H2  C3H6 xiclo H6 = 3H2 + 3H3 - H4

H6 = 3(-394,1) + 3(-286,3) - (-2094,4) = 53,2 kJ/mol

c/ Tương tự nhiệt tạo thành propen là:

H7 = 3H2 + 3H3 - H5 = 20,3 kJ/mol

21 Đối với quá trình đồng phân hoá Xiclopropan thành Propen có H =  32,9 kJ/mol

Hãy bổ sung vào bảng sau:

Chất Nhiệt cháy Ho298 cháy (kJ/mol) Nhiệt sinh Ho298 (kJ/mol)

Propen

22 Đốt cháy 1 mol benzen lỏng ở 250C, 1atm để tạo ra khí CO2 và H2O lỏng toả ra một nhiệt lượng bằng 3267kJ Xác định nhiệt tạo thành của benzen lỏng ở điều kiện trên; biết nhiệt tạo thành chuẩn của CO2(k) và H2O (l) tương ứng bằng – 393,5 và – 285,8 kJ/mol (49 kJ/mol)

23 Tính hiệu ứng nhiệt của 2 phản ứng sau:

2NH3 + 3/2 O2  N2 + 3 H2O (1)

2NH3 + 5/2 O2  2NO + 3H2O (2)

So sánh khả năng của 2 phản ứng, giải thích vì sao phản ứng (2) cần có xúc tác

Cho năng lượng liên kết của:

 Tính hiệu ứng nhiệt:

E1 = (2ENH 3 + 3/2EO 2) – (EN 2 + 3 EH 2 O) = 2 1161 + 3/2 493 – 942 – 3 919 = - 637,5 kJ

E2 = 2ENH 3 + 5/2EO 2 – 2ENO – 3EH 2 O = 2 1161 + 5/2 493 – 2 627 – 3 919 = - 456,5 kJ

- Phản ứng (1) có H âm hơn nên pư (1) dễ xảy ra hơn

- Nếu có xúc tác thì năng lượng hoạt hoá sẽ giảm và tốc độ phản ứng sẽ tăng, do đó để thực hiện phản ứng (2) cần có xúc tác

24 Phản ứng CaO(r) + CO2(k)  CaCO3 (r) xảy ra như thế nào ở 250C và 9270C? Biết:

S0

25 Nhôm oxit có thể bị khử thành kim loại bởi khí hidro không (ở 4270C) ? Biết: