Q3 HOA LI OLYMPIAD (CÓ ĐÁP ÁN)

50 chuyên đề Olympiad Hóa học Nhiệt động học Động hóa học 3 1 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM Lời mở đầu Các bạn độc giả thân mến Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ OLYMPIAD HÓA. CÓ ĐÁP ÁN

Bộ phim khoa học viễn tưởng về hành tinh Hạnh Phúc mô tả cách cư dân nơi đây sử dụng thang nhiệt độ o N, tương tự như thang o C của chúng ta Trong thang o N, nhiệt độ nóng chảy và sôi của H2, chất chiếm ưu thế trên hành tinh này, được xác định lần lượt là 0 o N và nhiệt độ sôi tương ứng.

Cư dân trên hành tinh đó đã nghiên cứu tính chất của các khí lý tưởng và nhận thấy rằng với cùng một số mol khí, giá trị P.V đạt 28 atm.dm³ ở 0 °N và 40 atm.dm³ ở 100 °N Do đó, cần xác định giá trị tương ứng của 0 °K trong thang nhiệt độ tuyệt đối của chúng ta với thang nhiệt độ của cư dân hành tinh đó.

Cư dân trên hành tinh Hạnh Phúc hiểu biết về các phương trình khí lý tưởng, trong đó có phương trình PV = nRT ở cả hai nhiệt độ 0 o N và 100 o N Tương tự như cách chuyển đổi từ độ C sang độ K (K = o C + 273), chúng ta có thể thiết lập phương trình chuyển đổi từ độ N sang độ K.

Trong đó T1 là số hạng chuyển đổi

Theo đề bài ta có:

- Tại Ta = 0 o N PaVa = 28 atm.dm 3 = nR(T1 + 0 o N) = n.8,314(T1 +

- Tại Tb = 100 o N PaVa = 40 atm.dm 3 = nR(T1 + 100 o N) = n.8,314(T1 +

Từ (2) và (3) ta có T1 = 233,33 Do đó theo (1) 0K tương ứng với 0 – 233,33

Vậy 0 o K trên thang nhiệt độ tuyệt đối của chúng ta tương ứng với -233,33 o N trên thang nhiệt độ của cư dân hành tinh Hạnh Phúc.

7

Phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = nRT chỉ áp dụng hiệu quả cho các khí thực ở áp suất thấp hoặc nhiệt độ cao, khi mà tính chất của chúng gần giống với khí lý tưởng Để có được kết quả chính xác hơn trong tính toán trạng thái của khí thực, van der Waals đã phát triển phương trình trạng thái khí thực với công thức: [Pđo + a n².

  ](V – nb) = nRT a) Giải thích ý nghĩa của hai số hạng hiệu chỉnh cho áp suất a n 2

Trong bài toán này, chúng ta cần tính toán áp suất của khí Argon (Ar) trong một bình có thể tích 1,5 dm³ ở nhiệt độ 30°C Đầu tiên, nếu coi Argon là khí lý tưởng, ta áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng để tìm áp suất Tiếp theo, để tính áp suất khi coi Argon là khí thực, chúng ta sử dụng phương trình van der Waals, bao gồm các yếu tố điều chỉnh cho tính chất thực của khí Với khối lượng 25g Argon, việc so sánh kết quả giữa hai phương pháp sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa khí lý tưởng và khí thực.

Cho biết: Hằng số van der Waals của Ar: a = 1,337 dm 6 atm.mol -2 ; b 3,20.10 -2 dm 3 mol -1

Một mẫu khí CO2 có 2,0 mol chiếm thể tích 15,0 dm³ ở nhiệt độ 300K Khi cung cấp 2,35 kJ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ mẫu tăng lên 341K Giả sử CO2 là khí van der Waals, cần tính các giá trị A, ∆U và ∆H cho quá trình này, với hằng số van der Waals b của CO2 là 4,3 x 10⁻² dm³/mol.

1 a) Ý nghĩa của hai số hạng hiệu chỉnh:

- Vì bản thân các phân tử khí thực cũng chiếm một phần thể tích

Khác với giả thiết về khí lý tưởng, trong thực tế, mỗi phân tử khí không phải là một chất điểm không có thể tích, dẫn đến phần không gian tự do của các phân tử khí thực là V – nb, trong đó nb là thể tích riêng phần của n mol phân tử khí Do đó, áp suất lý thuyết của các khí tác dụng lên thành bình được tính bằng công thức nRT.

Trong thực tế, giữa các phân tử khí tồn tại lực hấp dẫn, hay còn gọi là lực hút van der Waals Hệ quả của điều này là áp suất mà các phân tử khí tác động lên thành bình, được đo là Pđo, thường nhỏ hơn áp suất lý thuyết P’ Do đó, hệ số a n^2 cũng cần được xem xét trong các tính toán liên quan đến áp suất khí.

Áp suất nội của n mol khí thực phản ánh mức độ tương tác hấp dẫn giữa các phân tử khí Theo phương trình khí lý tưởng PV = nRT, ta có thể xác định áp suất P bằng công thức P = nRT/V.

Số mol của khí n = 25/35,95 = 0,626 (mol)

Vậy nếu coi Ar là khí lý tưởng P = 0,626.0,082.(30+273)/1,5 = 10,37 (atm) Nếu Ar là khí thực:

Từ phương trình van der Waals ta có:

Do quá trình cung cấp nhiệt ở điều kiện đẳng tích nên A = 0

Trong điều kiện đẳng tích thì Q = ∆U = 2,35 kJ

Do H = U + PV nên ∆H = ∆U + P∆V + V∆P, trong điều kiện đẳng tích ∆V = 0 dẫn đến

Từ phương trình van der Waals ta có:

Từ các dữ kiện đầu bài, ta có:

Thay các số liệu có được vào phương trình (*) ta có:

10

Lực tác dụng của khí lên thành bình chứa được hình thành từ các va chạm giữa các tiểu phân khí và bề mặt Độ lớn của xung va chạm ảnh hưởng đến lực tác dụng thông qua sự biến đổi momen động lượng, được biểu diễn bằng công thức mDv Khi tiểu phân khí va chạm với bề mặt, lực tác dụng sẽ tăng lên theo tốc độ mà các tiểu phân này đạt được khi đập vào bề mặt.

Chuyển động ngẫu nhiên của các tiểu phân khí dẫn đến việc số lần va chạm trong một đơn vị thời gian trở thành hằng số của chất khí đó, khi nhiệt độ được giữ không đổi.

Nhiệt độ của khí ảnh hưởng đến vận tốc và áp suất của hệ khí Khi tăng gấp đôi số phân tử khí, áp suất sẽ tăng gấp đôi do số lượng va chạm giữa các phân tử tăng lên Nếu thể tích bình chứa khí được tăng gấp đôi, áp suất sẽ giảm một nửa vì phân tử khí có không gian di chuyển lớn hơn Tăng gấp đôi khối lượng tiểu phân khí mà không thay đổi vận tốc sẽ không làm thay đổi áp suất, vì áp suất phụ thuộc vào số lượng phân tử chứ không phải khối lượng Cuối cùng, khi nhiệt độ tăng thêm 10°C, áp suất sẽ tăng do vận tốc của các phân tử khí tăng lên, dẫn đến nhiều va chạm hơn với thành bình.

Mô hình khí lý tưởng giả định không có tương tác giữa các phân tử khí, nhưng trong thực tế, các phân tử khí có nhiều loại tương tác khác nhau, bao gồm tương tác lưỡng cực - lưỡng cực, tương tác lưỡng cực cảm ứng và tương tác van der Waals Đường cong trong hình minh họa cho thấy thế năng tương tác giữa các phân tử khí.

Lực tương tác giữa hai tiểu phân khí trong một hệ số phân chia r xác định có thể được tính toán thông qua gradient của đường cong năng lượng, với công thức F = –dV / dr Tại bốn điểm A, B, C và D trên hình vẽ, cần xác định loại lực tương ứng, có thể là lực hút, lực đẩy hoặc xấp xỉ bằng không.

Sự sai lệch khỏi mô hình khí lý tưởng của một khí thường được xác định định lượng theo biểu thức tính hằng số nén, Z m

Với V m là thể tích mol của khí thực và V m 0 là thể tích mol của khí lý tưởng trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất… với khí thực

Hướng dẫn về áp suất bao gồm các trường hợp sau: i) Khi áp suất tăng gấp đôi, ii) Khi áp suất giảm một nửa, iii) Khi áp suất tăng gấp đôi lần nữa, và iv) Khi áp suất sẽ tăng một ít Đối với các điểm A và B, A gần như bằng zero và B thì được hút.

C – xấp xỉ zero D – đẩy c) Z = 1: không có lực liên phân tử, khí xử sự lý tưởng

Z < 1: Lực hút ưu thế Z > 1: Lực đẩy ưu thế d)

13

Theo nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học, công thực hiện bởi một máy định kỳ luôn nhỏ hơn lượng nhiệt được chuyển hóa thành công Chúng ta hãy xem xét chu trình nhiệt động lực học của máy với 3.0 mol, bao gồm bốn bước thực hiện.

A→B: giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch từ pA, VA (30.0 L) đến pB (1.70 bar),VB ở 800°C

B→C: làm lạnh đẳng tích xuống 235°C

C→D: nén đẳng nhiệt thuận nghịch VA

1) Tính hiệu suất của máy

Tính giá trị áp suất p và thể tích V tại các điểm A, B, C và D, sau đó phác thảo chu trình nhiệt động bằng giản đồ p-V, chú ý đến dạng đường cong hyperbol Đánh dấu phần hình học tương ứng với công việc của hệ thống bằng cách tô đen.

3) Tính công của quá trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch ở 800°C và lượng nhiệt thoát ra ngoài của máy

Giả định rằng, bắt đầu từ điểm A, máy giãnnở đoạn nhiệt thuận nghịch đến VB

4) Tính nhiệt độ và áp suất cuối cùng của quá trình giãn nở đoạn nhiệt trên

1) Tính hiệu suất của máy ε = T hot −T cold

Diện tích bị tô đen = |w|

Một bình kín có thể tích 10.00 L, thành trong bằng chất dẻo, chứa đầy nước ở nhiệt độ 273.16 K và áp suất bên ngoài là 1.000 bar Bình này sẽ được sử dụng để tiến hành một số thử nghiệm.

Bước 1 Cho nước đóng băng nhưng nhiệt độ không đổi Lúc này thể tích bình tăng lên

Bước 2 Hạ áp suất ngoài xuống còn 0.900 bar Lúc này băng tan và nước được đun nóng đến khi sôi và bốc hơi hoàn toàn được thể tích hơi V2

Bước 3 Hơi nước được nén đoạn nhiệt cho đến khi đạt thể tích V3 = 10.00 m 3

Cuối cùng, thực hiện quá trình nén thuận nghịch đẳng nhiệt hơi nước cho đến khi đạt thể tích V4 = 5.00 m³ Hãy điền các giá trị còn thiếu vào bảng dưới, với giả định rằng giá trị nhiệt giãn nở có giá trị âm.

Nhiệt độ T, K Thể tích V, m 3 Nhiệt giãn nở w, J

Khối lượng riêng của nước và băng ở 0 °C lần lượt là 0.9987 g/cm³ và 0.917 g/cm³ Nước sôi ở 100 °C với áp suất 101325 Pa Nhiệt hóa hơi của nước đạt 40.655 kJ/mol, trong khi giá trị nhiệt dung riêng của nước là χ = 0.329 (χ = Cp/CV).

Các phương trình liên quan

Các phương trình nhiệt giãn nở

Phương trình nén đoạn nhiệt:

Nhiệt độ T, K Thể tích V, m 3 Nhiệt giãn nở w, J

V 5.00 w nRT ln 554.2 mol 8.3145 J/(mol K) 456.21K ln 1.457 10 J

Việc chọn lựa chất làm lạnh cho hệ thống điều hòa không khí và máy lạnh đã thu hút sự chú ý của giới khoa học và công nghệ trong suốt thế kỷ qua Trong thời gian này, các chất làm lạnh đã có sự tiến hóa đáng kể.

Ammonia được coi là thế hệ đầu tiên của chất làm lạnh, được sử dụng trong các thiết bị lạnh cổ điển Sau đó, chlorofluorocarbons (CFCs) - dẫn xuất của methane và ethane - đã thay thế ammonia, với các nguyên tử hydrogen được thay thế bằng fluorine và chlorine Điều hòa không khí gia dụng đầu tiên của Soviet, BK-1500, được sản xuất hàng loạt tại nhà máy "Bakkonditsioner" ở Baku, Azerbaijan, sử dụng chlorodifluoromethane CHF2Cl, thuộc thế hệ thứ hai Bài viết này sẽ so sánh các loại chất làm lạnh khác nhau từ góc độ nhiệt động học.

Tính chất nhiệt động của các chất làm lạnh khác nhau:

Chất làm lạnh Thế hệ ΔHvap / kJãmol –1

Xét một chu trình làm lạnh hiện đại gồm 4 giai đoạn được biểu diễn trong đồ thị áp suất (p) – nội năng (U) dưới đây:

Giản đồ 1 Đường nét đứt xác định các biên phase

Trong chu trình làm lạnh, giai đoạn đầu tiên (đường 0-1) diễn ra khi chất làm lạnh lỏng hóa hơi ở nhiệt độ sôi T1 và áp suất không đổi p1, hấp thụ nhiệt từ môi trường cho đến khi bay hơi hoàn toàn Tiếp theo, trong giai đoạn thứ hai (đường 1-2), chất làm lạnh được nén nhiệt thuận nghịch, làm tăng nhiệt độ lên T2 Sau đó, chất làm lạnh bị nén được làm nguội trong bộ ngưng tụ ở áp suất không đổi p2 (đường 2-3) trước khi quay trở lại trạng thái ban đầu (đường 3-0).

Trong chu trình với 1 mol chất làm lạnh, bắt đầu từ trạng thái lỏng hoàn toàn ở điểm 0 với nhiệt độ T1 = 280 K và kết thúc ở T2 = 380 K, ta giả định rằng hơi của chất làm lạnh có tính chất khí lý tưởng Các đặc trưng nhiệt động học của chất làm lạnh được trình bày trong bảng trên.

Để tính toán nhiệt lượng Q mà thiết bị làm lạnh trung hấp thụ trong quá trình trao đổi nhiệt giữa ammoni và chlorodifluoromethane, ta cần xem xét đoạn đường 0-1 Đồng thời, công W cần thiết để nén đoạn nhiệt hơi của chất làm lạnh được xác định trong đoạn đường 1-2.

1.2) Những đại lượng nào sau đây vẫn không thay đổi trong giai đoạn nén đoạn nhiệt?

Để so sánh hiệu quả năng lượng của các chu trình máy lạnh với thông số và chất làm lạnh khác nhau, hệ số hiệu suất (COP - coefficient of performance) là một chỉ số quan trọng Hệ số này được định nghĩa là tỷ lệ giữa nhiệt lượng được loại bỏ khỏi hệ thống làm lạnh và công suất tiêu thụ của máy nén, công thức tính là: COP = Q.

1.3) Tính giá trị COP trong các chu trình của ammonia và chlorodifluoromethane

Ammonia đã được thay thế bởi các CFC trong thiết bị làm lạnh gia dụng chủ yếu để tăng hiệu quả năng lượng của các chu trình làm lạnh Bên cạnh đó, khối lượng riêng của ammonia nhỏ hơn không khí trong cùng điều kiện, điều này cũng góp phần vào sự chuyển đổi này Hơn nữa, việc sử dụng CFC còn mang lại lợi ích về an toàn cho người dùng.

Việc tìm kiếm chất làm lạnh thay thế cho CFC bắt nguồn từ phát hiện của các nhà khoa học về tác động tiêu cực của chúng đối với tầng ozone Sự phá hủy không thể phục hồi của tầng ozone đã dẫn đến sự ra đời của các chất làm lạnh thế hệ thứ ba, thân thiện với môi trường Fluoroalkane là một trong những đại diện tiêu biểu của thế hệ chất làm lạnh này.

Sự phá hủy tầng ozone bởi các CFC xảy ra do một số nguyên nhân chính Đầu tiên, phân tử ozone dễ dàng cộng vào liên kết C-F, trong khi liên kết C-F lại dễ bị phá hủy bởi bức xạ, dẫn đến sự hình thành các gốc tự do Ngoài ra, phân tử ozone cũng có khả năng cộng vào liên kết C-Cl, góp phần vào quá trình này Tóm lại, sự tương tác giữa ozone và các liên kết C-F, C-Cl dưới tác động của bức xạ là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm tầng ozone.

Theo Nghị định thư Kyoto 1997, các fluoroalkane cần được thay thế do khả năng tích tụ trong khí quyển và hấp thụ bức xạ hồng ngoại, dẫn đến hiệu ứng nhà kính và tăng nhiệt độ khí quyển Do đó, các chất làm lạnh thế hệ thứ tư như 2,3,3,3-tetrafluoropropene đã được phát triển để giảm thiểu tác động tiêu cực này.

CF3CF=CH2, đã được đề xuất và đưa vào sử dụng

Hợp chất này tác động đến hiệu ứng nhà kính ít hơn các fluoroalkane vì nó có hoạt tính cao hơn và dễ phân hủy, đồng thời dễ phản ứng với ozone và tan tốt hơn trong nước.

Trong chu trình làm lạnh được xem xét, cần tính toán các giá trị của hệ số hiệu suất năng lượng (COP) cho hai chất làm lạnh thế hệ thứ ba và thứ tư, cụ thể là CH3CH2F và CF3CF=CH2 Những giá trị này sẽ giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của các chất làm lạnh trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường.

So với CHF2Cl thì hiệu quả năng lượng có được cải thiện không?

Các hệ thống làm lạnh công nghiệp thường sử dụng ammonia, một chất không gây hiệu ứng nhà kính và không phá hủy tầng ozone Những thiết bị này có kích thước lớn và chi phí cao, do đó cần được mô hình hóa cẩn thận trước khi xây dựng để tính toán nhiều yếu tố khác nhau Trong quá trình trao đổi nhiệt thực tế, một phần của chất làm lạnh bắt đầu ở phase hơi và khi kết thúc luôn được đun nóng vượt quá điểm sôi.

Giản đồ 2 Đường nét đứt xác định các biên phase

Trong một chu trình với 1 mol ammonia, các tính chất nhiệt động quan trọng bao gồm enthalpy hóa hơi ΔHvap là 23.35 kJ/mol tại nhiệt độ sôi 239.8 K và áp suất 1 bar Nhiệt dung của pha lỏng là CV(liq) = 77 J/K·mol, trong khi nhiệt dung của pha khí là CV(gas) = 26.7 J/K·mol Giả định rằng nhiệt dung không phụ thuộc vào nhiệt độ và hơi ammonia có tính chất giống như khí lý tưởng Áp suất hơi bão hòa của ammonia được mô tả bởi phương trình log(p/bar) = 4.87 - 1114 / (T/K - 10.4).

Trong giai đoạn đầu tiên của chu trình, hỗn hợp cân bằng giữa chất lỏng và hơi nhận nhiệt từ môi trường ở áp suất không đổi 3.0 bar Chất làm lạnh được hóa hơi hoàn toàn và được đun nóng đến nhiệt độ 275 K, đánh dấu thời điểm khởi đầu của quá trình.

0), phần mol của ammonia khí là x = 0.13 p

Để xác định sự phụ thuộc của nhiệt độ vào áp suát hơi của n-propanol thì dãy thí nghiệm sau được tiến hành, kết qủa thu được như sau:

Trả lời các câu hỏi sau bằng cách sử dụng đồ thị (vẽ ra)

2) Nhiệt độ sôi của n-propanol ở 1013 mbar

3) Áp suất mà ở đó n-propanol sôi ở 45°C

2) Nhiệt độ sôi (dựa vào giản đồ trên):

Bọ xịt hơi cay, hay còn gọi là Bọ cánh cứng Pháo thủ, nổi bật với cơ chế phòng thủ độc đáo Khi gặp nguy hiểm, chúng phóng ra một dòng chất lỏng nóng có mùi khó chịu, khiến kẻ thù hoảng sợ Chất lỏng này được tạo ra từ phản ứng hóa học giữa hai hợp chất, được lưu trữ trong các khoang trong cơ thể bọ Một trong những hợp chất tham gia phản ứng là hydroquinone (BH2).

1) Hàm lượng oxygen trong BH2 là 25.78 % Xác định công thức cấu tạo của hợp chất này

Hydrogen peroxide là thành phần quan trọng trong hỗn hợp phản ứng, nơi diễn ra các phản ứng trong buồng phản ứng nhờ sự có mặt của enzyme catalase và peroxidase.

2) Viết phương trình tổng của phản ứng giữa BH2 và H2O2

Các giá trị enthalpy tạo thành chuẩn của H2O (l) và H2O2 (l) lần lượt là - 285.83 kJ/mol và -187.78 kJ/mol

3) Xác định enthalpy chuẩn của các phản ứng (2), (3)

Thế chuẩn của cặp BH2/B so với thế hydrogen chuẩn là 0.7175 V ở 0 o C và 0.6805 V ở 50 o C

4) Xác định enthalpy tạo thành chuẩn của phản ứng (1) và phản ứng tổng mà bạn đã viết ở ý 2

5) Thành phần của hỗn hợp trong buồng phản ứng là 10 % BH2 và 25 %

H2O2 về khối lượng có các tính chất nhiệt động lý học tương tự như nước, với nhiệt dung riêng là 4.2 J/độ.gam ở pha lỏng và 2 J/độ.gam ở pha hơi, cùng với nhiệt hóa hơi riêng là 2256 J/gam Dựa vào những thông số này, cần xác định loại hỗn hợp cuối trong Phiếu trả lời.

3) Phản ứng 2: -98.05 kJ/mol; Phản ứng 3: -285.83 kJ/mol

Phản ứng oxy hóa và đốt cháy hợp chất hữu cơ đều là phản ứng tỏa nhiệt, với nhiệt phản ứng từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như dầu hỏa, than và khí tự nhiên là nguồn năng lượng chính Để tính nhiệt phản ứng, ΔH, khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol metan, cần xem xét các yếu tố liên quan đến quá trình này.

298 K trong không khí, sử dụng các giá trị nhiệt sinh chuẩn của metan, cacbon dioxit và nước

Trong phòng thí nghiệm, cacbon dioxit (CO2) có thể được điều chế từ phản ứng giữa canxi cacbonat (CaCO3) và axit clohydric (HCl) Để tính thể tích khí cacbon dioxit sinh ra từ 10.0 g canxi cacbonat và 50.0 mL dung dịch axit clohydric 1.00 mol L-1 ở điều kiện 298 K và 1013 hPa, ta giả định rằng phản ứng diễn ra hoàn toàn và cacbon dioxit được coi là khí lý tưởng Năng lượng tiêu tốn trong phản ứng này là -285.8 kJ mol-1.

Hướng dẫn a) Metan ： C + 2H2 → CH4 ΔHf = -74.82kJ/mol

Cacbon dioxit： C + O2 → CO2 ΔHf = -393.5kJ/mol

CH4+ 2O2 → CO2 + 2H2O ΔHf = -890.28 kJ/mol b) CaCO3（M0.1） 10.0g/100.1＝0.100mol

Lượng cacbon dioxit tạo thành：0.0250mol

Tính bằng cách sử dụng phương trình khí lý tưởng, V=nRT/p

Cho các phương trình nhiệt hóa học sau đây:

(4) O2 (k) → 2 O (k) ΔH 0 = 498,3 kJ k: kí hiệu chất khí

Hãy xác định nhiệt của phản ứng sau:

Kết hợp 2 pt (1) và (3) ta có

(5) ClO2 (k) + O(k) → ClO3 (k) ΔH 0 = - 201,3 kJ Đó là pt nhiệt hóa (5) ta cần tìm.

Trong quá trình khí hóa than thì than được biến đổi thành hỗn hợp cháy được gồm carbon monooxit và hydro được gọi là khí lò than

H2O (k) + C (r) → CO (k) + H2 (k) a) Tính biến thiên entalpy chuẩn cho phản ứng này nếu biết biến thiên entalpy chuẩn của các phản ứng sau

2C (r) + O2 (k) → 2 CO (k) ΔH = –221.0 kJ mol –1 2H2 (k) + O2 (k) → 2 H2O (k) ΔH = –483.6 kJ mol –1

Khí lò than có thể được sử dụng làm nhiên liệu :

CO (k) + H2 (k) + O2 (k) → CO2 (k) + H2O (k) b) Nếu được cho thêm thông tin sau, hãy tính biến thiên entalpy cho phản ứng cháy trên:

Khí lò than có thể tham gia vào quá trình metan hóa

3H2 (k) + CO (k) → CH4 (k) + H2O (k) c) Xác định entalpy chuẩn đối với phản ứng metan hóa nếu biết các thông tin sau

Hướng dẫn a) (1) 2C (r) + O2 (k) → 2 CO (k) ∆H o = -221.0 kJ mol -1

(2) 2H2 (k) + O2 (k) → 2 H2O (k) ∆H o = -483.6 kJ mol -1 Phản ứng chung sẽ là ẵ (E1 – E2)

Cho biết nhiệt cháy chuẩn (298K) của saccarozơ và etanol - sản phẩm cháy là CO2(k) và H2O(l):

∆RH o (C12H22O11) = -5645 kJ/mol; ∆RH o (C2H6O) = -1368 kJ/mol;

Bằng cách tương tự thì nhiệt hòa tan (hòa tan vào nước) của saccarozơ và etanol cho ở 298 K:

∆SOLH o (C12H22O11) = 5.0 kJ/mol; ∆SOLH o (C2H6O) = -10 kJ/mol;

Sự lên men kị khí của saccarozơ trong dung dịch sinh ra etanol và cacbon dioxit

1) Viết và cân bằng các phản ứng của tất cả các quá trình đã nêu Sử dụng các ký hiệu (r), (l), (aq) cho „rắn“, „lỏng“, „dung dịch nước"

2) Tính entanpy phản ứng chuẩn cho quá trình lên men này

1) Tính nhiệt sinh của axit nitrơ (HNO2) trong dung dịch nước ở điều kiện đẳng tích đẳng áp khi sử dụng các số liệu sau ở 25.00°C

D NH3(aq) + HNO2(aq) → NH4NO2(aq) H(kJ) = -38.08

E NH4NO2(s) + aq → NH4NO2(aq) H(kJ) = +19.88

2) Tính nhiệt phản ứng ở 20°C sử dụng các gía trị sau cũng được xác định ở 20°C:

1) Phản ứng hỡnh thành: ẵ H2(g) + ẵ N2(g) + O2(g) → HNO2(aq) điều kiện đẳng áp (có thể áp dụng định luật Hess):

Thay số ta được: HB(HNO2(aq) = -125.4 kJ/mol đẳng tích: UB = HB - nBRT với n = -2 ta được UB = -120.5 kJ/mol

2) Phản ứng cuối = Gl (2) – Gl (4) – Gl (3) – Gl (1) ΔH = -486 + 138.1 -229.6 + 286.2 = - 291.3 kJ

Năng lượng liên kết là giá trị năng lượng cần thiết để phá vỡ 1 mol liên kết trong một phân tử Trong các tính toán nhiệt hóa học, năng lượng liên kết thường được hiểu là năng lượng trung bình để phá vỡ tất cả các liên kết cùng loại Đối với các phản ứng hữu cơ, người ta thường sử dụng phép xấp xỉ cho rằng năng lượng liên kết C-X của các nguyên tử X trong các hợp chất khác nhau là tương tự nhau, mặc dù phép xấp xỉ này có thể cần điều chỉnh Tuy nhiên, điều này không luôn đúng với các hợp chất vô cơ; ví dụ, năng lượng liên kết Cl-F trong các hợp chất chlorine fluoride có sự khác biệt đáng kể, với ClF3 cao hơn 14.2% so với ClF5 nhưng thấp hơn 31.2% so với ClF.

Để xác định năng lượng liên kết Cl-F trung bình của ba hợp chất chlorine fluoride và phân tử F2, chúng ta dựa vào hiệu ứng nhiệt của các phản ứng Cụ thể, phản ứng giữa ClF và F2 tạo ra ClF3 với giá trị Q1 là 108.58 kJ/mol.

2) Biết năng lượng liên kết trong phân tử chlorine là 242.6 kJ/mol Hãy xác định sinh nhiệt các của chlorine fluoride

Phản ứng giữa fluorine và chlorine với các tỉ lệ khác nhau dẫn đến sự hình thành các fluoride chlorine khác nhau hoặc hỗn hợp chất Hiệu suất của từng fluoride phụ thuộc vào các đặc trưng nhiệt động học.

3) Hiệu suất cân bằng của chlorine fluoride nào sẽ tăng so với hiệu suất cân bằng của các sản phẩm khác khi nhiệt độ phản ứng tăng? Giải thích

Cho một hỗn hợp chlorine và fluorine vào bình 0.750 L ở nhiệt độ 300 K và áp suất 1.502 bar Sau khi đun nóng, chiếu ánh sáng và làm lạnh về 280 K, áp suất và khối lượng riêng cuối cùng đạt 0.788 bar và 2.781 gam/L Tại giai đoạn cuối, bình chứa 4 hợp chất khí, trong đó có 1 đơn chất.

Trong thí nghiệm này, chúng ta xác định đơn chất có trong bình, với lưu ý rằng lượng ClF5 thu được ít hơn so với các chlorine fluoride khác Việc này bao gồm việc tính toán số mol của các đơn chất trước và sau thí nghiệm để có cái nhìn rõ ràng về sự biến đổi của chúng.

5) Xác định số mol các hợp chất trong hỗn hợp cuối, biết rằng lượng nhiệt giải phóng trong quá trình hóa học là 3.144 kJ

Biết rằng E(ClF3) lớn hơn E(ClF5) 14.2 %, nghĩa là: E(ClF3) = 1.142E(ClF5), nhưng lại bé hơn E(ClF) 31.2 %, nghĩa là E(ClF3) = 0.688E(ClF)

Thu được hệ phương trình:

Giải hệ phương trình: E(Cl ) 158.2 kJ / mol, E(ClF) 250 kJ / mol 2 = = = 3

Biến thiên nhiệt trong phản ứng hóa học được xác định bởi sự chênh lệch giữa tổng năng lượng của các liên kết mới được hình thành và tổng năng lượng của các liên kết bị phá vỡ Cụ thể, trong phản ứng tạo thành ClF, quá trình này minh họa rõ ràng nguyên tắc trên.

Khi nhiệt độ tăng, hiệu suất cân bằng của ClF sẽ tăng so với ClF3 và ClF5, vì sự hình thành ClF3 và ClF5 từ fluorine và ClF là phản ứng tỏa nhiệt Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng của Le Chatelier, khi nhiệt độ tăng, cân bằng của phản ứng sẽ chuyển theo chiều hấp thụ nhiệt, tức là chiều tạo thành ClF.

Trước phản ứng: n(Cl2) = 0.01124 mol; n(F2) = 0.03392 mol

5) n(ClF) = 7.32ã10 -3 mol = 7.23 mmol n(ClF3) = 10.54ã10 -3 mol = 10.54 mmol n(ClF5) = 4.61ã10 -3 mol = 4.61 mmol

Khi 1 mol cặp ion ở thể khí tiến lại gần nhau, năng lượng được sinh ra từ khoảng cách xa vô cùng Năng lượng này, ở nhiệt độ 0 K và dưới áp suất thường, được gọi là năng lượng mạng tinh thể Để tính toán năng lượng mạng tinh thể của một tinh thể ion, người ta áp dụng định luật Hess cho nhiệt sinh của tinh thể đó.

Xây dựng chu trình Born-Haber của kali clorua (KCl) và tính năng lượng mạng lưới dựa trên các giá trị nhiệt động học sau

Nhiệt sinh của KCl (r) - 437 kJ mol -1

Nhiệt thăng hoa của K (r) 89 kJ mol -1

Năng lượng ion hóa của K (k) 419 kJ mol -1

Năng lượng phân ly của Cl2 (k) 242 kJ mol -1 Ái lực electron của Cl (k) - 349 kJ mol -1

Khi chuẩn bị bữa ăn với nước sôi, nước chỉ đạt nhiệt độ tối đa 100 độ C nếu nắp bình chứa nước được mở Tuy nhiên, khi sử dụng nồi áp suất, nước được đun trong điều kiện kín, dẫn đến nhiệt độ có thể vượt qua 100 độ C, tạo ra một môi trường nấu ăn hiệu quả hơn.

Tính áp suất ít nhất một nồi áp suất phải có nếu muốn nấu thịt bò trong nước ở 130 o C

T o s(H2O) tại 1.013 bar: 100°C; ΔHV(H2O) = 40.7 kJ‧mol -1

Khi đốt cháy hoàn toàn 3,6 gam hợp chất hữu cơ X ở thể khí bằng oxi dư trong bom nhiệt lượng kế, nhiệt độ của hệ tăng từ 25 o C lên 28 o C Ban đầu, bom nhiệt lượng kế chứa 600 gam nước và sau phản ứng, có 11 gam chất thải.

CO2(k) và 5,4 gam H2O(l) được tạo thành Giả thiết, lượng nhiệt bị hấp thụ bởi oxi dư và các sản phẩm phản ứng là không đáng kể

1 Xác định công thức phân tử của X

2 Xác định nhiệt dung của nhiệt lượng kế (không bao gồm 600 gam nước)

3 Xác định nhiệt sinh tiêu chuẩn (H s 0 ,298 )của X

 của CO2(k) và H2O(l) lần lượt là -393,51 và -285,83 kJãmol -1 ; Nhiệt dung riờng của nước là 4,184 Jãg -1 ãK -1 ;

Biến thiên nội năng của phản ứng đốt cháy 1 mol X ở 25 o C, U 298 0 = - 2070,00 kJãmol -1

mH + mC = m X  X là hiđrocacbon  nC : nH = 5 : 12

Vậy công thức phân tử của hợp chất hữu cơ X là C5H12

2 Nhiệt dung của nhiệt lượng kế:

3 Nhiệt sinh tiêu chuẩn của A:

Trong bài này, tất cả các dữ kiện cho sẵn và được hỏi đều xét tại điều kiện tiêu chuẩn

Nghiên cứu hai hydrocarbon lỏng đồng phân C8H8, bao gồm cycloocta-1,3,5,7-tetraene và styrene (vinylbenzene, ethenyl benzene), cho thấy khi đốt cháy trong bình nhiệt lượng kế với oxy dư, chúng tạo ra hỗn hợp H2O lỏng và CO2 khí Phản ứng cháy được thực hiện bằng một sợi dây có nhiệt lượng cháy Qdây = -30.0 J.

Một trợ lý phòng nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm với hai mẫu chất được đánh dấu là A và B Sau khi đo lường và ghi chép kết quả, anh đã đi ăn trưa Tuy nhiên, khi trở lại, anh đã quên mất đâu là chất A và đâu là chất B.

A, đâu là chất B Nhật kí thí nghiệm có lưu lại các kết quả sau:

Hợp chất Khối lượng đầu m/g Nhiệt lượng đo được Q/J

Cho biết thêm: ΔfH° (H2O(l)) = - 285.8 kJ mol -1 và ΔfH° (CO2(g)) = - 393.5 kJ mol -1

1) Viết phương trình phản ứng đốt cháy

2) Tính enthalpy cháy tiêu chuẩn ΔcH o của A, B

3) Tính enthalpy tạo thành chuẩn ΔfH o của A, B Trong trường hợp bạn không tính ra kết quả ở ý 2, hãy sử dụng các giá trị ΔcH°A = -4581 kJ.mol -1 và ΔcH°B= -4431 kJ.mol -1

4) Theo các giá trị enthalpy sinh chuẩn, một trong các chất sẽ bền hơn, xét về khả năng phân li thành nguyên tố Chất đó là A hay B?

5) Theo quy tắc Hückel, một trong các chất có tính thơm Hãy viết số electron π cho các hệ vòng và xác định hợp chất nào có tính thơm:

6) Hãy xác định chất nào là A, chất nào là B?

Có thể ước lượng enthalpy cháy bằng phương pháp gia tăng, với giả định rằng mỗi liên kết hoặc nhóm nguyên tử trong phase khí đóng góp một giá trị nhất định (ΔcHI°) vào nhiệt cháy chung của chất, không phụ thuộc vào môi trường hóa học xung quanh Đối với mỗi chất, nhiệt hóa hơi hoặc thăng hoa được tính bằng tổng các thành phần gia tăng này.

Nhiệt cháy của nhóm methylen là 157,4 kJ, điều này có nghĩa là nhóm methylen trong propane và ethanol đều đóng góp 157,4 kJ vào nhiệt cháy, không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc phân tử của chúng.

Ví dụ như tính toán cho hệ cycloctatetraene: ΔcH° = 8ãΔcHI°(C-H) + 4 ã ΔcHI°(C-C) + 4 ã ΔcHI°(C=C) + ΔcHI°(Ring) + ΔvapH°

Liên kết ΔcHI° / kJ mol -1 Liên kết ΔcHI° / kJ mol -1

Nhiệt hóa hơi: ΔvapH°(styrene) = 43.5 kJ mol -1

7) Tính nhiệt cháy chuẩn của styrene dựa vào phương pháp gia tăng

Theo một giả định cơ bản, hệ thơm loại bỏ hoàn toàn các yếu tố làm bền như cộng hưởng và sự bất định xứ, những yếu tố này rất quan trọng đối với các hợp chất thơm.

8) Với mỗi hydrocarbon, hãy tính năng lượng bền hóa dựa trên việc so sánh nhiệt cháy tính được và giá trị đo được từ thực nghiệm

2) Với hợp chất A: M(C8H8) = 104.16 g mol −1 0.7834g ≜ 0.007521 mol ΔU = Q − Q dây = −34181 − (−30) = 34151 J ΔU° = −34.151 kJ

Với hợp chất B 0.6548g ≜ 0.006286 mol ΔU = Q − Q wire = −27623 + 30 = 27593 J ΔU° = −27.593 kJ

(−393.5) − 4 ⋅ (285.8) + 4546 = 254.8 kJ mol −1 (289.8 kJ mol -1 ) Hợp chất B: Δ f H°(B) = 8 ⋅ Δ f H°(CO 2 ) + 4 ⋅ Δ f H°(H 2 O (l) ) − Δ c H°(B) = 8 ⋅ (−393.5) − 4 ⋅ (285.8) + 4546 = 103.8 kJ mol −1 (139.8 kJ mol -

7) ΔcH° = 8ãΔcHI°(C-H) + 4ãΔcHI°(C-C) + 3ãΔcHI°(C=C2C) + ΔcHI°(C=C3C) + ΔcHI°(vũng) + ΔvapH° = 8ã(-226.1) - 4ã(206.4) - 3ã(491.5) – 484.4 – 4.2 + 43.5

8) cyclooctatetraene ΔE = Δ c H° lí thuyết − Δ c H° = −4561.5 + 4546 = −15.5 kJ (19.5 kJ) styrene ΔE = Δ c H° lí thuyết − Δ c H° = −4554 + 4395 = −159 kJ (-123kJ)

Trong nghiên cứu phản ứng giữa acid đa chức A (C < 10 M) và chất kiềm F trong môi trường nước và nước-alcohol, các mối liên hệ nhiệt lượng Q = f(Z) được thiết lập, với Q là nhiệt lượng theo kJ/mol A và Z là tỉ lệ mol v(F)/v(A) Các mối liên hệ này được biểu diễn qua ba phần tuyến tính theo sự tăng của Z trong môi trường nước và nước-alcohol Khi một điện trở R = 100 Ω và dòng điện 0.1 A được áp dụng trong thời gian 127.5 s, nhiệt độ chỉ tăng ∆t 0.03 °C Dữ liệu tham chiếu về enthalpy ∆Hf 0 cho A, F, cation của F, anion không có hydrogen của A, và một số chất khác lần lượt là -1288, -985, -543, -1277 và -286 kJ/mol.

(H2O) Q = I 2 ã R ã τ Giả sử rằng Hf 0 trong mụi trường I và II giống nhau, và trong môi trường II thì A và F gần như không phân li

Để vẽ các đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa ∆H 0 và Z trong khoảng Z = 0 - 1.5, cần phân tích sự khác biệt về giá trị ∆H 0 trong các môi trường khác nhau Cụ thể, trong môi trường I (SI) với độ tan của các muối lớn hơn 10 -3 M, giá trị ∆H 0 sẽ khác biệt so với môi trường II (SII) khi độ tan của các muối nhỏ hơn nhiều so với 10 -3 M Sự khác nhau này có thể được giải thích qua ảnh hưởng của nồng độ muối và tính chất hóa học của môi trường lên nhiệt độ và năng lượng tự do.

2) Xác định A và F biết khi trung hòa hoàn toàn 100.0 mL dung dịch A

0.1200 M bằng 0.4445 gram F thì thu được 0.6203 gram kết tủa muối

3) Xác định các muối G và D, có thể được tạo thành cùng với B, biết M G

: M D = 1.465 : 1.000, và khi nung nóng chúng thì đều tạo thành H2O Viết các phương trình phản ứng xảy ra khi nung nóng

4) Xác định giá trị của Z mà tại đó các chất riêng biệt được tạo thành Viết các phương trình phản ứng ở dạng ion

5) Tính giá trị ∆Hf 0 của các muối B, G, D và các anion của acid A

6) TÍnh thành phần của kết tủa (% mol) trong môi trường II nếu trong phản ứng của 10 -4 mol A thì nhiệt độ tăng 0.02 o C

7) Trong đồ thị ở ý 1, xác định (bằng các đường chấm) mối liên hệ ∆H 0 f(Z) với Z > 1.5 nếu không có chất nào khác được tạo thà

1) Do ∆H 0 = -Q nên enthalpy được tính từ các phương trình đường thẳng

Khối lượng mol đương lượng của cation chất kiềm là E + = 37.04 - 17.00 20.04 (gram/ mol), chỉ có trường hợp điện tích +2 (Ca) là thỏa mãn Vậy F là Ca(OH)2

Ba phần tuyến tính của đồ thị Q = f(Z) cho thấy acid có 3 nấc

Khối lượng mol đương lượng của anion là E - = 51.69 - 20.04 = 31.65 (gram/mol), chỉ có trường hợp điện tích -3 (PO4 3-) là thỏa mãn Vậy A là

3) Cỏc muối là B - Ca3(PO4)2; G - Ca(H2PO4)2ãaH2O và D - CaHPO4ãbH2O (hai muối này đều giải phóng nước khi bị đun nóng)

Biểu thức này thỏa món với b = 2 và a = 1 Vậy: G - Ca(H2PO4)2ãH2O và D - CaHPO4ã2H2O

4) Các hợp chất riêng lẻ được tạo thành ở Z, tương ứng với các điểm giao cắt của các đường Trong đồ thị, đó là Z = 0.5; Z = 1.0 và Z = 1.5

-1295 kJ/mol -3411 kJ/mol -1292 kJ/mol -2403 kJ/mol -4107 kJ/mol

6) (Ca(H PO ) H O) 57%; (CaHPO 2H O) 43% 2 4 2  2 =  4  2 7) Sự phân li của Ca(OH)2 xảy ra trong môi trường I, còn trong môi trường

Khí thiên nhiên, một loại nguyên liệu thô hydrocarbon, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho con người Turkmenistan nổi bật là một trong những nhà xuất khẩu khí lớn nhất toàn cầu, cho thấy tầm quan trọng của việc sử dụng hydrocarbon để tạo ra năng lượng hữu ích.

Có hai phương pháp chính để chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng với hiệu suất cao: thứ nhất, đốt cháy nhiên liệu trong các động cơ nhiệt (TM); thứ hai, sử dụng quá trình oxi hóa điện hóa trong các pin nhiên liệu (TW).

1) Viết phương trình phản ứng đốt cháy methane trong oxygen dư

Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, oxygen hoạt động như chất oxi hóa, trong khi methane đóng vai trò là nhiên liệu Chất điện giải oxide rắn cho phép dẫn ion trong khu vực giữa các điện cực Phương trình bán phản ứng của sự khử oxygen tại cathode có thể được viết, cùng với phương trình phản ứng giữa các ion H+ và O2- tại anode Cuối cùng, phương trình bán phản ứng oxi hóa methane tại anode cũng cần được xác định.

3) Tính suất điện động chuẩn (E o ) của phản ứng oxid hóa methane trong TW: a) Có bao nhiêu electron tham gia vào phản ứng oxid hóa 1 phân tử

CH4? b) Xác định E 0 (900 o C) theo giá trị ∆cG 0 (900 o C)

Để tính hiệu suất của động cơ nhiệt TM lý tưởng và pin nhiên liệu TW lý tưởng, chúng ta cần xem xét quá trình đốt cháy methane trong buồng cháy của TM ở nhiệt độ 900 °C với t = 500 °C Hiệu suất η(TM) của quá trình này được tính toán dựa trên các yếu tố nhiệt động học Bên cạnh đó, hiệu suất η(TW) của quá trình oxi hóa methane trong pin nhiên liệu TW cũng cần được xác định ở nhiệt độ 900 °C, sử dụng công thức phù hợp để đảm bảo tính chính xác trong việc đánh giá hiệu quả của cả hai hệ thống.

5) a) Viết các phương trình đốt cháy ethane, propane, butane trong oxygen dư b) Ước tính ∆cH (900 o C) của propane từ dữ kiện trong bảng sau (ở

- Theo định nghĩa của hiệu suất: ≡ η = (công tạo ra) / (năng lượng tiêu tốn)

- Định lí Carnot (cho động cơ nhiệt lí tưởng): η = 1 - Tx / Tn, trong đó Tx là nhiệt độ nguồn lạnh, Tn là nhiệt độ nguồn nóng (K)

- Công hữu ích cực đại được tạo ra bởi phản ứng hóa học là Wmax = -∆rG

Công thức nFE = -∆rH + T∆rS mô tả mối quan hệ giữa số electron n tham gia phản ứng, hằng số Faraday F (96500 Coulomb/mol), suất điện động E của phản ứng và biến thiên năng lượng Gibbs ∆rG.

Mối liên hệ giữa biến thiên nội năng (∆rU) và biến thiên enthalpy (∆rH) trong một quá trình bất kỳ được thể hiện qua công thức: ∆rU = ∆rH - P∆V = ∆rH - ∆νRT, trong đó ∆ν đại diện cho biến thiên tổng số mol khí trong phản ứng.

3) Theo phương trình ở ý 2c, số electron tham gia là 8

4) a) b) Đối với mọi phản ứng điện hóa bất kì,

Trong phản ứng đốt cháy methane, với ∆ν = 0 (phản ứng đẳng phân tử), ta có thể tính được hiệu suất η(TW) = ∆cG/∆cH = 800.53/800.16 ≈ 1.0004, tương đương 100% Kết quả này thật sự gây bất ngờ khi hiệu suất vượt quá 100%.

Chu trình nhiệt hóa học của phản ứng đốt cháy hydrocarbon bắt đầu bằng quá trình nguyên tử hóa các nguyên liệu, tiếp theo là sự kết hợp của các nguyên tử carbon và hydrogen với oxygen để tạo ra CO2 và H2O Quá trình nguyên tử hóa này bao gồm việc bẻ gãy các liên kết C-C và C-H Chúng ta ký hiệu enthalpy phá vỡ các liên kết này lần lượt là x và y, từ đó thu được bảng giá trị tương ứng.

Bằng cách kết hợp các giá trị Q, có thể biểu diễn Qx theo các giá trị enthalpy đốt cháy đã biết theo nhiều cách (đơn vị kJ/mol):

Giá trị trung bình: -2043.1 kJ/mol

Chuyên đề 21: Entropy và năng lượng tự do

6.0 mol hydro được đun nóng đẳng tích Khí được nén lại từ áp suất 100 kPa ở 0.0°C đến áp suất gấp 2,5 lần Nhiệt dung đẳng tích của hydro là CV

1 Nhiệt độ đạt được sau khi nén?

2 Tính biến thiên entropy trong qúa trình này

3 Tính nhiệt dung trong qúa trình đẳng áp

1.0 L argon được làm lạnh đẳng áp từ điều kiện thường xuống nhiệt độ thấp hơn 50 K so với ban đầu

Một biểu thức gần đúng khá tốt đối với khí đơn nguyên tử: CV = (3/2)R J/mol.K

4 Lượng nhiệt khí đó hấp thụ là bao nhiêu ?

5 Tính thể tích cuối cùng sau khi làm lạnh

6 Tính biến thiên nội năng của hệ

3) Nhiệt dung: CP = CV + R = 28.9 J/molãK

Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệt bất thuận nghịch của 2 mol khí lý tưởng đơn nguyên tử dưới áp suất bên ngoài Pngoài = 1 bar, khí bắt đầu ở thể tích VA = 5L và áp suất PA = 10 bar Để tính nhiệt độ của hệ ở trạng thái đầu, ta áp dụng định luật khí lý tưởng Ở trạng thái cuối, áp suất của khí giảm xuống còn PC = 1 bar, từ đó tính toán nhiệt độ và thể tích của hệ Cuối cùng, biến thiên entropy của hệ trong quá trình này cũng cần được xác định để hiểu rõ hơn về sự thay đổi năng lượng.

Cho biết: Đối với khí lý tưởng đơn nguyên tử CV (J.K -1 mol -1 ) = 3

Hướng dẫn a) Tính nhiệt độ của hệ ở trạng thái đầu:

TA = PAVA/nR = (10 6 5.10 -3 )/(2.8,314) = 300,70K b) Tính nhiệt độ và thể tích của hệ ở trạng thái cuối

Vì quá trình là đoạn nhiệt nên ta có Q = 0

Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động học, ta có ∆U = A Mặt khác ∆U Cv∆T Ở đây Cv = 2.3/2R = 3R do đang xét 2 mol khí lý tưởng đơn nguyên tử

Do sự giãn nở diễn ra ở điều kiện áp suất bên ngoài không đổi nên A

Từ đó ta có: 3R(TC – TA) = -Pngoài(VC – VA); vì VC = nRTC/PC và PC = Pngoài

Biến thiên entropy của hệ trong quá trình bất thuận nghịch có thể được tính bằng cách chia quá trình thành hai giai đoạn thuận nghịch, giúp đưa hệ từ trạng thái đầu tiên đến trạng thái cuối cùng Với TC = 192,45K và VC = 32L, việc này cho phép xác định biến thiên entropy một cách đơn giản và rõ ràng.

Trong giai đoạn 1, hệ thống được đun nóng ở áp suất không đổi từ trạng thái đầu (A) tới trạng thái trung gian (B), tại đó áp suất PB bằng PA và thể tích VB bằng VC Nhiệt độ tại điểm B được tính bằng công thức TB = PBVB/nR, dẫn đến TB = PAVC/nR Kết quả tính toán cho thấy nhiệt độ tại điểm B là 1924,5K, với các giá trị PB = 10^6, VB = 0,032 và R = 2,8,314.

- Giai đoạn 2: Làm lạnh đến nhiệt độ 192,44K để giảm áp suất của hệ xuống 1 bar trong điều kiện đẳng tích

Entropy của quá trình chuyển 2 mol khí từ trạng thái đầu (A) đến trạng thái cuối (C) được tính bằng công thức:

∆SA-B = nCpln(TB/TA) = 2(5R/2).ln(1924,5/300,68) = 77,17 J/K

∆SB-C = nCvln(TC/TB) = 2(3R/2).ln(192,44/1924,5) = -57,43 J/K

Cryptand là nhóm phối tử vòng lớn có khả năng tạo phức chất bền với cation kim loại kiềm và kiềm thổ, được ứng dụng rộng rãi trong hóa phân tích Các cryptand được sử dụng để xác định ion Na+ trong dung dịch, tạo ra phức chất cryptand-kim loại thuộc nhóm phức vòng càng Kim loại trong phức này có phối trí với nhiều nhóm nhường electron thuộc cùng một phối tử, dẫn đến tính bền vững cao hơn so với các phức đơn càng, hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng vòng càng”.

Để tăng cường hiệu ứng vòng càng, việc thay thế Na+ bằng Cs+ là yếu tố có tác động tích cực, trong khi việc tăng nhiệt độ có thể hạn chế hiệu ứng này Thay thế dung môi phân cực bằng dung môi không phân cực không có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu ứng vòng càng Trong thí nghiệm, 10 ml dung dịch cryptand 0.5 M chứa các cation kim loại được cho vào nhiệt lượng kế, sau đó thêm 1 ml dung dịch Na+ tại thời điểm 𝜏 = 4 phút Dữ liệu nhiệt độ ghi nhận cho thấy nhiệt lượng kế duy trì ổn định với hằng số nhiệt lượng w = 1560 cal/°C, cho thấy sự thay đổi nhiệt độ không lớn trong khoảng thời gian thí nghiệm.

2) Viết phương trình phản ứng, kí hiệu cryptand là Crypt

Để vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ nhiệt lượng kế t (°C) vào thời gian 𝜏 (phút), cần xác định giá trị ∆t° (biến thiên nhiệt độ do phản ứng hóa học gây ra) Các tính toán này sẽ được thể hiện trên đồ thị để minh họa rõ ràng Cuối cùng, tiến hành tính toán nhiệt phản ứng Qr để có được kết quả chính xác cho phản ứng hóa học đã thực hiện.

4) Chất lỏng nhiệt kế nào (10 mL nước; 2 L nước; 15 L nước; 20 mL xăng;

2 L xăng; 15 L xăng) là phù hợp nhất để dùng cho thí nghiệm này

5) Hàm nhiệt động nào (∆rH, ∆rU, ∆rG hay ∆rS) được xem như là nhiệt phản ứng trong những điều kiện đã cho

Trong các phép đo chính xác, sự giảm nhiệt độ của nhiệt lượng kế do trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài cần được xem xét Hiện tượng này được mô tả bằng phương trình vi phân, thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian.

Trong đó t là nhiệt độ, 𝜏 là thời gian, k là hằng số, 𝑡 ∞ là nhiệt độ cuối của chất lỏng nhiệt lượng kế

6) Giải phương trình này với điều kiện đầu t(0) = t0 và tìm sự phụ thuộc t(𝜏).

Sử dụng dữ liệu từ các điểm 10 và 14, chúng ta cần xác định giá trị 𝑡 ∞ với k = 0.11 phút -1 Đặt W là tổng số trạng thái vi mô tương ứng với trạng thái vĩ mô đã cho, tức là trạng thái với các thông số V, T, N đã định Entropy tuyệt đối có thể được tính toán theo công thức Boltzmann: S = k lnW, trong đó k là hằng số Boltzmann, với giá trị k = R/NA = 1.38 × 10 -23 J/K.

8) Hợp chất lưỡng nguyên tử AB kết tinh hoá thành chuỗi một chiều vô hạn Tính entropy mol của tinh thể này ở 0 K

Sự tạo thành phức chất với Na+ từ các phối tử khác nhau sẽ dẫn đến biến thiên entropy lớn nhất và nhỏ nhất Cần xác định dấu của biến thiên entropy trong từng trường hợp cụ thể để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các phối tử này.

1) Yếu tố c) tăng cường hiệu ứng vòng càng; a) và b) cản trở; d) không ảnh hưởng

Chất lỏng lý tưởng cho nhiệt kế là 2 L nước, vì xăng không an toàn do mùi khó chịu và tính dễ bay hơi Sử dụng 10 mL không đủ để đổ vào nhiệt kế, trong khi 15 L nước sẽ gây ra sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, dẫn đến sai số lớn.

Hiệu ứng nhiệt của quá trình này liên quan đến hàm ΔrU thay vì ΔrH, vì trong bình nhiệt kế, điều kiện là một hệ đẳng tích.

8) Mỗi trong số NA phân tử có thể định hướng theo 2 cách, do đó có tổng cộng 2 N A trạng thái vi mô khả thi

S kln2= =N kln2 Rln2 5.76 J/ mol KA =  

Phản ứng oxy hóa và đốt cháy các hợp chất hữu cơ đều là phản ứng tỏa nhiệt, với nhiệt phản ứng từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch như dầu hỏa, than và khí tự nhiên là nguồn cung cấp năng lượng chính Để tính nhiệt phản ứng, ΔH, khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol metan, cần thực hiện các phép toán liên quan đến nhiệt độ và áp suất trong điều kiện tiêu chuẩn.