(Sáng kiến kinh nghiệm) hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo sát cácquá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác định khả năng,hướng và mức độ xảy ra củ

Mẫu 1A

1 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhiệt động hóa học là môn nghiên cứu năng lượng và chuyển hóa năng lượng màtrước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển hóa giữa nhiệt với công và các dạng nănglượng khác

Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo sát cácquá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác định khả năng,hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học…Nắm vững các kiến thức về nhiệtđộng hóa học là rất cần thiết và quan trọng

Trong quá trình dạy và học môn Hóa học, khi nắm vững lý thuyết về nhiệt độnghóa học các em sẽ dễ dàng hơn trong việc giải thích được tại sao phản ứng này lại xảy

ra còn phản ứng kia lại không, tại sao có phản ứng lại tỏa nhiệt nhưng có những phảnứng lại thu nhiệt… Thông qua việc nắm kiến thức về nhiệt phản ứng học sinh rènluyện tính tích cực, trí thông minh, tự lập, sáng tạo, bồi dưỡng hứng thú trong học tậpmôn Hóa học để cho môn học không còn khô khan và cứng nhắc nữa

Xuất phát từ suy nghĩ muốn giúp học sinh không gặp phải khó khăn và nhanhchóng tìm được niềm đam mê, hứng thú với môn hóa trong quá trình học tập Chính vì

vậy tôi chọn đề tài: “HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC”

1.2 MỤC ĐỊCH CHỌN ĐỀ TÀI

- Các hóa học luôn kèm theo sự biến đổi về năng lượng (chủ yếu dưới dạng nhiệt)cho nên việc nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học sẽ có một ý nghĩa nhấtđịnh đối với hóa học

- Xác định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học

- Giúp học sinh tính toán được nhiệt của phản ứng qua đó xác định phản ứng đó

là thu hay tỏa nhiệt

1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Tìm hiểu về :

- Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hoá học

- Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG

HÓA HỌC

Quảng Bình, tháng 11 năm 2018

- Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ.

- Làm một số dạng bài tập liên quan đến nhiệt hóa học

Nếu các phản ứng có chất khí tham gia thì giá trị ΔH và ΔU sẽ khác nhau Trongtrường hợp khí tham gia là lý tưởng:

PV = nRTpΔV = Δn RTn: là biến thiên số mol khí trong phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T

R là hằng số khí R = 8,312at.lit / mol độ

ΔH = ΔU + ΔnRT

Khi Δn = 0 thì ΔH = ΔU

2.2 Phương trình nhiệt hóa học.

Phương trình nhiệt hoá học là phương trình phản ứng hoá học bình thường có ghikèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia và thu được sau phảnứng Đa số các phản ứng xảy ra ở áp suất không thay đổi nên ta xét chủ yếu biến thiên

Khi viết phương trình nhiệt hóa học ta cần lưu ý :

Ta quy ước: Quá trình thu nhiệt ΔH>0

Quá trình tỏa nhiệt ΔH<0

Hiệu ứng nhiệt ΔH của 1 phản ứng ở áp suất không đổi và một nhiệt độ xác định bằng tổng entanpy của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entanpi của các chất tham gia phản ứng: ΔH = ΣΔHSPpư - ΣΔHchất đầu pư

2.3 Các loại nhiệt thường gặp.

Nhiệt tạo thành (còn gọi là sinh nhiệt ) của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt củaphản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ứng bền vững ở điều kiện đã cho.Nhiệt tạo thành thường được đo trong điều kiện đảng áp và quy về 250C, 1atm.Khi đó ta có nhiệt tạo thành tiêu chuẩn, tức entanpi tạo thành mol tiêu chuẩn và kí hiệu

là ΔH0

Chỉ có thể đo trực tiếp được nhiệt tạo thành trong 1 số ít trường hợp như HCl,

CO2, H2O…còn lại phải tính bằng phương pháp gián tiếp

Quy tắc tính nhiệt tạo thành: “Entanpi của một phản ứng hóa học bằng tổng

entanpi sinh của các sản phẩm trừ entanpi sinh của các chất phản ứng”

Ví dụ: Xét phản ứng

CH2 = CH2 (k) +H2O (l) CH3CH2OH (l)

) , (

0

) (

0

) , (

- Entanpi sinh nguyên tử: Khi 1 mol hợp chất được tạo ra từ các nguyên tử thì

độ biến thiên entanpi của quá trình này gọi là entanpi sinh nguyên tử

- Entanpi sinh của chất tan: Là hiệu ứng nhiệt của quá trình hình thành 1 mol

chất ở trạng thái tan từ các đơn chất ở trạng thái bền vững nhất trong các điều kiện đãcho về nhiệt độ và áp suất

2 Tính H298của phản ứng HCl trong 100 mol H2O + NaOH trong 100 mol H2O

NaCl trong 200 mol H2O + H2O(l)

Giải: 1 HCl(K) 200molH2O HCltrong 200 mol H2O

= -166,51 +92,2 = - 74,31 kJ/ mol

2

) 200 (

298 , )

100 (

298

,

) ( 298 , )

200 (

298 ,

mol HCltrong s

NaOHtrong s

Ol H s mol

NaCltrong s

H H

H H

- Entanpi sinh của ion trong dung dịch nước là quá trình biến thiên entanpi của

phản ứng hình thành 1 mol ion bị hidrat hóa từ các đơn chất

½ H2 (k) +1/2 Cl2 (k)  HCl k

0 298 ,

s

H

 = -92,2 kJ (1)HCl k + aq  Haq + 

 Nhiệt cháy.

Nhiệt cháy (còn gọi là thiêu nhiệt): Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng dốt cháy 1

cháy của các nguyên tố C, H, N, S, Cl được chấp nhận tương ứng là CO2(k), H2O(l),

N2(k), SO2(k) và HCl(k.)

Quy tắc tính nhiệt cháy: “Hiệu ứng nhiệt của 1 phản ứng hóa học bằng tổng các

entanpi cháy của các chất phản ứng trừ đi tổng entanpi cháy của các sản phẩm”

Người ta dùng entanpi cháy để xác định entanpi sinh của 1 hợp chất hữu cơ vàhiệu ứng nhiệt của các phản ứng hữu cơ vì các đại lượng này khó xác định bằng thựcnghiệm

Ví dụ: C2H6 + 7/2 O2  2CO2 +3H2O ΔH=-372.82 kcal

 Ta có ΔHdc=-372.82 kcal

* Nhiệt chuyển pha

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

Quá trình chuyển pha có thể là thăng hoa, bay hơi, nóng chảy, biến đổi đa hình,chuyển từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể

Hiệu ứng nhiệt kèm theo quá trình chuyển pha là nhiệt chuyển pha

* Năng lượng liên kết

Năng lượng của một liên kết định vị là năng lượng được giải phóng khi liên kếthóa học được hình thành từ các nguyên tử cô lập

“Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học bằng tổng các năng lượng liên kết của các phẩn tử sản phẩm trừ đi tổng các năng lượng liên kết của các chất phản ứng”

* Năng lượng mạng lưới tinh thể ion

Trong điều kiện bình thường, các hợp chất ion có cấu trúc tinh thể Trong mạng

lưới tinh thể ion không có ranh giới giữa các phân tử Mỗi tinh thể được coi như 1phân tử Do đó đối với loại hợp chất này, người ta ít dùng năng lượng liên kết mà dùngnăng lượng mạng lưới tinh thể

“Là năng lượng được giải phóng khi 1 mol chất tinh thể được hình thành từ cácion ở thể khí”

Không thể đo trực tiếp năng lượng mạng lưới tinh thể bằng phương pháp tínhnhiệt hóa học.

Phương pháp tính năng lượng mạng lưới tinh thể ion dựa vào các dữ kiện thựcnghiệm về năng lượng của các quá trình khác do H.Born và F.Haber đề xuất nênphương pháp này còn gọi là phương pháp chu trình Born – Haber

2.4 Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ và áp suất

Phương trình này được thiết lập từ định luật Hess tức là hiệu ứng nhiệt không phụthuộc vào đường đi chỉ phụ thuộc và trạng thái đầu và cuối

Xét phương trình: aA +bB +  gG + dD + thực hiện ở áp suất không đổi Ởnhiệt độ T1 hiệu ứng nhiệt phản ứng là H T1 Chuyển chất phản ứng lên nhiệt độ T2,thực hiện phản ứng tạo sản phẩm, hiệu ứng nhiệt của phản ứng là H T2, sau đó chuyểnsản phẩm phản ứng về nhiệt độ T1

2 2

)(mA nB T H T pC qD T

C (chất sảnphẩm) dT

Theo định luật Hess: H T1 H1H2 H T2

1 1

dT C H

H

T

T P T

T  



2

1 1 2

Từ phương trình Kirchhoff thấy sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt của phản ứng vàonhiệt độ là do sự khác nhau giữa nhiệt dung mol phân tử đẳng áp của chất sản phẩm vàchất phản ứng quyết định

2.5 Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess.

2.5.1 Định luật Hess (1812-1850)

Năm 1840 G.I.Hess đã phát minh ra định luật căn bản của nhiệt động hóa học.Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào trạng tháiđầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian.[1]

Nội dung: “Nếu có nhiều cách để chuyển chất ban đầu thành những sản phẩm

giống nhau thì hiệu ứng nhiệt tổng cộng theo cách nào cũng như nhau ’’

Nói cách khác: Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất

và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm chứ không phụ thuộc vào đường đi

Ví dụ: Có rất nhiều cách để chuyển 1 mol Na, 0,5 mol H2, 0,5mol O2, thành một molNaOH và hiệu ứng nhiệt tổng cộng của cách nào cũng bằng: -102.0 kcal

Cách 1:

Na(r) + 1/2O2(k)  1/2Na2O2(r) H1= - 60,3 kcal1/2H2(k) + 1/4O2(k)  1/2H2O(l) H2 =-34,1 kcal1/2Na2O2 + 1/2H2O(l)  NaOH(r) + 1/4O2(k) H3 = -7,6kcal

Tổng cộng: Na(r) + 1/2O2(k) + 1/2H2(k) NaOH(r) H = ??

Thì ta có: H = -60,3 - 34,1 - -7,6 =-102,0 kcal

Cách 2:

H2(k) + 1/2O2(k)  H2O(l) H1=-68,3 kcal

Na (r) + H2O(l)  NaOH + 1/2H2 H2=-33,7kcal

Tổng cộng: Na(r) + 1/2H2(k) + 1/2O2(k) NaOH (r) H=??

Ta có: H=-68,3-33,7=-102,0kcal

Chú ý: Entanpi một chất được tính với một mol chất đó Biến thiên entanpi tínhđược từ entanpi của các chất ở diều kiện chuẩn được gọi là biến thiên entanpi chuẩn vàđược kí hiệu là H0 hoặc khi chú ý cả nhiệt độ nữa thì được kí hiệu là H0

298.

+ Đối với các khí, trạng thái chuẩn là trạng thái khí lí tưởng ở áp suất 1 atm.+ Đối với các chất rắn và các chất lỏng, trạng thái chuẩn là trạng thái của chấttinh khiết

+ Nhiệt độ thường được lấy là 250C = 2980K

2.5.2 Hệ quả của định luật Hess.

 Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩmtrừ tổng nhiệt tạo thành của các chất ban đầu (có kể cả hệ số )

=> Nung vôi là quá trình thu nhiệt

Hiệu ứng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy các chất đầu trừ đi tổng nhiệtđốt cháy của các chất sản phẩm (có kể cả hệ số )

H =Hđc (tác chất ) - Hđc (sản phẩm )Vd: CH3COOH(l)+C2H5OH(l)CH3COOC2H5 + H2O H = ?

H = Hđc(CH3COOH) + Hđc(C2H5OH) -Hđc(CH3COOC2H5)

= -208,2 - 326,7 + 545,9 = 11 kcal

 Hiệu ứng nhiệt của quá trình thuận và hiệu ứng nhiệt của quá trình nghịchbằng nhau về trị số và ngược dấu nhau Htt = - H ng

2.5.3 Ứng dụng của định luật Hess.

 Tìm hiểu hiệu ứng nhiệt của một số phản ứng không thể xác định bằng

 Tìm nhiệt tạo thành của một chất

Ví dụ: tìm nhiệt tạo thành của rượu etylic từ các dữ kiện:

C2H5OH(l) + 3O2(k) CO2 (k) + H2O(l) H = -327 kcal

0 -94 kcal -63,8 kcal

Htt = ?

Giải: Áp dụng hệ quả 1 của định luật Hess ta có:

H = 2 x (-94) + 3 x (-68,3) - Htt (C2H5OH) = -327 kcal

Rút ra: Htt (C2H5OH) = 2 x (-94) + 3 x (-68,3) – (-327) = - 65,9 kcal

 Định năng lượng liên kết

 Xác định năng lượng mạng lưới của tinh thể

Năng lượng mang ion là năng lượng tạo thành mạng tinh thể hợp chất từ các ioncủa trạng thái khí

Ví dụ: Năng lượng mang ion của tinh thể NaCl chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Từ các dữ kiện sau, ta có thể tính được năng lượng mạng ion của tinh thể NaCl:

Nhiệt thăng hoa của Na: Na(r) = Na(k) H1 = 20,64 kcal

Năng lượng liên kết của Cl2: ½ Cl2(k) = Cl(k) H2 = ½ ×58 kcal

Ái lực electron của Clo: Cl(k) - e- = Cl- (k) H3 = -83,17kcal

Năng lượng ion hóa Na: Na(k) - e- = Na+(k) H4 = +119,98 kcalNăng lượng mạng ion: Na+(k) + Cl-(k) =NaCl (r) H0 = ?

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: Na (r) + ½ Cl2 (k)  NaCl (r) H = -98,23 kcal

Theo định luật Hess ta có:

H1 + H2 + H3 + H0 = H

Từ đó ta có năng lượng mạng tinh thể ion muối ăn:

II MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN

Bài tập 1 (đề thi đề nghị môn hóa lớp 10 trường THPT Chuyên Lê Hồng Phong –

thành phố Hồ Chí Minh): Thí nghiệm đo nhiệt lượng có thể được dùng để xác định

nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của MgO

a Viết phương trình phản ứng tạo thành MgO với sự biến thiên entanpi của phảnứng là 0

c Khi cho 0,221 gam Mg vào dụng cụ đo nhiệt lượng như trong thí nghiệm trênchứa 49,9 ml dung dịch HCl 1,01M và 48,7ml nước thấy nhiệt độ tăng 9,670C Viếtphương trình phản ứng đã xảy ra và tính H theo số mol Mg phản ứng Cho nhiệtdung riêng của dung dịch là 3,862J/g.0C và hằng số nhiệt lượng kế được lấy từ câu b

d Khi 0,576g MgO phản ứng với dung dịch gồm 49,9 ml dung dịch HCl 1,01M

và 48,7ml nước được đựng trong nhiệt lượng kế như trên thấy nhiệt lượng kế như trênthấy nhiệt độ tăng 4,720C Viết phương trình phản ứng và tính H theo số mol Mgphản ứng.những giả thiết khác lấy từ câu c

e Sử dụng những kết quả trên tính nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của MgO biết nhiệttạo thành tiêu chuẩn của H2O l)là H f0 285,8kJ/mol

Hướng dẫn giải: a Phương trình phản ứng: Mg(r) 1/2O2(k) MgO(r)

b nHCl= 0,0501 mol > nNaOH = 0,05 mol nên sau phản ứng NaOH hết

Phương trình phản ứng: HCl(dd)NaOH(dd) NaCl(dd)H2O l)

mol kJ

H 55,9 /



Nhiệt tỏa ra trong thí nghiệm: 0,05 (-55,9) = -2,795kJ

Lượng nhiệt trên bị hấp thụ bởi dung dịch và nhiệt lượng kế

Tổng thể tích dung dịch là 99,7ml

Nếu d = 1g/ml thì mdd = 99,7g

Lượng nhiệt do dung dịch hấp thụ bởi nhiệt lượng kế: 2795 – 2568 = 227J

Khả năng hấp thụ nhiệt của nhiệt lượng kế: 227 : 6,4 = 35,5J.0C

c Phương trình phản ứng: Mg2H Mg2  H2

Tổng khối lượng của hệ: 99,6 + 0,221 = 99,821g

Nhiệt sinh ra của phản ứng hấp thụ bởi dung dịch và nhiệt lượng kế

Nhiệt hấp thụ bởi dung dịch: 99,821x 3,862 x 9,67 = 3728J

Nhiệt hấp thụ bởi nhiệt lượng kế: 35,5 x9,67 = 343J

Tổng nhiệt lượng của phản ứng: 3728 + 343 = 4071J

Số mol Mg: 0,00909 mol

Nhiệt của phản ứng tính theo số mol Mg phản ứng là: 4071 : 0,00909 = 4,479.105J/mol

-d Phương trình phản ứng: MgO + 2H+Mg2++ H2O

Tổng khối lượng của hệ: 99,6 + 0,576 = 101,676g

Nhiệt sinh ra của phản ứng hấp thụ bởi dung dịch và nhiệt lượng kế

Nhiệt hấp thụ bởi dung dịch: 101,676 x 3,862 x 4,72 = 1853J

Nhiệt hấp thụ bởi nhiệt lượng kế: 35,5 x 4,72 = 168J

Tổng nhiệt lượng của phản ứng: 1853 + 168 = 2021 J

Số mol MgO: 0,0143 mol

Nhiệt của phản ứng tính theo số mol Mg phản ứng là: 2021 : 0,0143 = 1,143.105J/mol

-e Phương trình nhiệt của các phản ứng:

MgO + 2H+Mg2++ H2O H 141,3kJ/mol

2 2

O H O

Suy ra: Mg1/2O2  MgO H 592,4kJ/mol

Bài tập 2 (đề thi đề nghị môn hóa lớp 10 trường THPT Chuyên Thăng Long –

mol Từ 4 nguyên tử N có thể tạo ra 1 phân tử N4 tứ diện đều hoặc 2 phân tử N2 thôngthường Trường hợp nào thuận lợi hơn? Hãy giải thích?

Giải: Xét dấu nhiệt của phản ứng:    

jEj iEi

H

Xét cụ thể với nitơ:

Phản ứng: 4N  N4

kJ x

E E

E E

()

2( )2

3)

(

3 

)

()

2 k CO k O

4 

)

()

(2/

H ttCO0 94,05 /

2 



0 0

0 0

H ttAlCl0 166,2 /

3 





Bài tập 4 (Trường THPT Huỳnh Thúc Kháng – Quảng Nam - 2009): Tính nhiệt

hình thành 1 mol AlCl3 biết

2 ( ) 2

3 )

(

2Al r  O k  Al O

Nhiệt hình thành của CO là -110,4kJ/mol

Nhiệt hình thành của CO2 là -393,13kJ/mol

Hướng dẫn giải: ta có các quá trình sau:

) 3 )

( 2 )

( 2 )

( 2 )

( 3 3

) ( 3 2 )

( 2 )

( 3/2

) ( )

(

2 32

/3

) ( 2 )

3

2H x H1 H2 H3 H4 H5

= -232,24 +3(-112,2) +(-1668,2) +3(-110,4) +3 393,13 = -1389,45kJ

Nhiệt hình thành của AlCl3 là 694,725kJ/mol

Bài tập 4 (Trường THPT Chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm – Quảng Nam): Cho phản

ứng sau

O H n nCO O

/

1 2( ) 2)

(

2 O H O l

) ( 2 )

411)

22(347)

1()

22()

1(

Mặt khác: nC (k) nC(gr)  nH1 717n

O H n O

n H

2

1)

1

(      (n1)H2 285,8(n1)

) ( 2 )

( 2 )

(gr nO k nCO k

) ( )

( 2

2n k (2 2) k

) ( 2)1()

2

2

Như vậy: H nH1(282,8(n1))nH3H4 H5

Bài 6 (Đề thi chọn học sinh giỏi lớp 11 năm 2013 – 2014 tỉnh Quảng Bình)

Cho phản ứng: C2H6 (k) + 3,5O2 (k) ��� 2CO2 (k) + 3H2O (l) (1)

Dựa vào 2 bảng số liệu sau:

Chất C2H6 (k) O2 (k) CO2 (k) H2O (l)

0 s

Elk (kJ.mol-1) 413,82 326,04 493,24 702,24 459,80

Nhiệt hóa hơi của nước là 44 kJ.mol-1

hãy tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng (1) theo 2 cách

Hướng dẫn giải: ΔH0p�= 2ΔH0s(CO ,k)2 + 3ΔH0s(H O,l)2 – ΔH0s(C H ,k)2 6 – 3,5ΔH0s(O ,k)2

ΔH0p�= 2(–394) + 3(–285,8) – (–84,7) – 3,5.0 = –1560,7 (kJ)

Mặt khác: ΔH0p� = 6EC-H + EC-C + 3,5EO=O – 4EC=O – 6 EO-H – 3ΔHhh

ΔH0p�= 6(413,82) + 326,04 + 3,5(493,24) – 4(702,24) – 6(459,8) – 3(44) = –1164,46 (kJ)

Bài 7: (Đề thi chọn HSG duyên hải và Bắc Bộ 2013 – 2014) Cho các dữ kiện sau:

Nhiệt hình thành của NaF rắn : -573,60 kJ.mol-1

Nhiệt hình thành của NaCl rắn: -401,28 kJ.mol-1

Tính ái lực electron của F và Cl ; so sánh các kết quả thu được và giải thích

2 Biết giá trị nhiệt động của các chất sau ở điều kiện chuẩn là :

b Cho bi t đi u ki n chu n oxit s t nao b n nh t ?ê ơ ê ê â ă ê â

1 Áp dụng định luật Hess vào chu trình

12

* Cũng có thể giải thích: F và Cl là hai nguyên tố liền nhau trong nhóm VIIA

F ở đầu nhóm Nguyên tử F có bán kính nhỏ bất thường và cản trở sự xâm nhập của electron

2 a) Sự tạo thành FeO từ các đơn chất Fe và oxit ở đkc: