CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC Ho02 2

HỆ THỐNG BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG VÀ RÈN LUYỆN KHẢ NĂNG TỰ HỌC CHO HỌC SINH GIỎI ĐỈNH CAO NỘI DUNGChương I: Tổng quan về nhiệt động lực hóa họcChương II: Hệ thống bài tập nhiệt động lực hóa học được dùng để rèn luyện các kĩ năng cho học sinhChương III: Một số bài tập có trong các đề thi olympic quốc gia, quốc tếChương IV: Thực nghiệm sư phạm

 CHUYÊN ĐỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC Tên chuyên đề: XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG VÀ RÈN LUYỆN KHẢ NĂNG TỰ HỌC CHO HỌC SINH GIỎI ĐỈNH CAO MỤC LỤC Trang Phần 1: MỞ ĐẦU .2 Phần 2: NỘI DUNG Chương I: Tổng quan nhiệt động lực hóa học Chương II: Hệ thống tập nhiệt động lực hóa học dùng để rèn luyện kĩ cho học sinh 22 Chương III: Một số tập có đề thi olympic quốc gia, quốc tế 55 Chương IV: Thực nghiệm sư phạm 76 Phần III: KẾT LUẬN 79 Tài liệu tham khảo 80 Phần 1: MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài Trong trình dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi môn học nói chung mơn hóa học nói riêng, trang bị kiến thức cho học sinh giống việc người thầy trao cho em “chiếc chìa khóa” để em khám phá chân trời tri thức mẻ Tuy nhiên, học sinh sử dụng “chiếc chìa khóa” đề khám phá kho tàng kiến thức đồ sộ nhân loại biến thành kiến thức riêng thân mình, để từ tảng em có sáng tạo, phát minh phục vụ đời sống, xã hội, nhân loại lại vấn đề khác, học sinh với “chiếc chìa khóa” mà thầy trao cho cộng với lực thân gặt hái thành công khác Làm để học sinh phát huy tốt lực thân? Đó ln trăn trở giáo viên làm nhiệm vụ dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi, đặc biệt học sinh giỏi đỉnh cao Có nhiều cách để giúp học trị phát huy tối đa lực ví dụ dạy em biết ước mơ, có hồi bão, sống có mục đích, sống có nghị lực, vượt khó, chăm chỉ, kiên trì, thắng khơng kiêu, bại khơng nản, tinh thần tự học, tự đọc tốt thầy cô người biết lắng nghe, thấu hiểu, truyền cảm hứng tạo say mê, chỗ dựa tin cậy mặt tinh thần cho học trị Tùy vào tính cách học trị, người thầy áp dụng cách hay cách khác, nhiên muốn học trị chủ động nắm bắt kiến thức mơn học, việc truyền đạt kiến thức cho học sinh, giáo viên phải rèn luyện khả tự đọc, tự học cho em Đây yếu tố quan trọng để đưa em đên đỉnh vinh quang Trong đề thi học sinh giỏi môn hóa từ cấp tỉnh cấp quốc gia hay cao cấp quốc tế, tập liên quan đến Nhiệt động lực hóa học phần cứng cấu trúc đề thi Trong trình học tập rèn luyện để trở thành học sinh giỏi mơn hóa, việc học sinh nắm kiến thức Nhiệt động lực hóa học vơ quan trọng, với thời lượng dạy học học khóa khơng thể đủ để giáo viên truyền tải hết lượng kiến thức Nhiệt động lực hóa học, thêm vào tập phần đa dạng phong phú đòi hỏi người học phải nắm kiến thức lý thuyết chắn, biết áp dụng vào dạng tập cụ thể Với nhiệm vụ dạy học tơi thấy việc xây dựng hệ thống tập nhiệt động lực hóa học để rèn luyện khả tự học, tự đọc học sinh vô quan trọng II Mục đích nghiên cứu * Cung cấp cho học kiến thức bản, kiến thức nâng cao trọng tâm nhiệt động lực hóa học * Rèn luyện cho học sinh khả tự nghiên cứu sáng tạo sở hệ thống tập nhiệt động lực hóa học * Phân loại, xếp đánh giá tập trọng tâm nhiệt động lực hóa học có đề thi học sinh giỏi tỉnh, học sinh giỏi quốc gia, khu vực quốc tế III Đối tượng phạm vi nghiên cứu *Cơ sở lý thuyết nhiệt động lực hóa học * Hệ thống tập nâng cao dành cho học sinh giỏi tỉnh, học sinh giỏi quốc gia, khu vực quốc tế IV Nhiệm vụ nghiên cứu * Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nhiệt động lực hóa học * Soạn, phân tích giải tập thi học sinh giỏi, học sinh giỏi quốc gia, học sinh giỏi khu vực học sinh giỏi quốc tế * Thực nghiệm đánh giá việc giảng dạy liên kết hóa học việc giải tập nhiệt động lực hóa học V Phương pháp nghiên cứu 1.Nghiên cứu lý thuyết : Nghiên cứu sách giáo khoa, tài liệu thuộc hóa học đại cương vô cơ, đề thi học sinh giỏi tỉnh, đề thi học sinh giỏi quốc gia, đề thi học sinh giỏi khu vực quốc tế với sở lý thuyết nhiệt động lực hóa học làm chủ đạo Tổng kết kinh nghiệm giải tập nhiệt động lực hóa học Trao đổi, học hỏi kiến thức kinh nghiệm từ đồng nghiệp Trò chuyện khơi gợi niềm đam mê học mơn hóa em học sinh trình học tập Rèn luyện tinh thần tự học, tự đọc cho em học sinh VI Giả thuyết khoa học Nếu học sinh nắm vững lý thuyết nhiệt động lực hóa học giải tốt tập nhiệt động lực hóa học em có tảng kiến thức vững để khám phá trau dồi kiến thức mới, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập rèn luyện để chinh phục đỉnh cao tri thức Phần 2: NỘI DUNG Chương I: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN : Khái niệm nhiệt động học , nhiệt động hóa học , nhiệt hóa học nhiệt phản ứng: Vật chất khơng ngừng chuyển động , trình chuyển động kèm theo biến đổi lượng Để nghiên cứu trình chuyển động vật chất cần nghiên cứu qui luật biến đổi dạng lượng với a Nhiệt động học (Thermodynamics): môn học nghiên cứu chuyển hóa tương hỗ tất dạng lượng với nhau, đặc biệt qui luật có liên quan tới biến đổi nhiệt thành dạng lượng khác Cơ sở lý thuyết Nhiệt động học nguyên lý I, II III Trong quan trọng nguyên lý I II b Nhiệt động hóa học (Chemical thermodynamics): nhánh nhiệt động học nghiên cứu qui luật chuyển hóa tương hỗ hóa dạng lượng khác q trình hóa học c Nhiệt hóa học (Thermo chemistry): mơn học chun nghiên cứu chuyển hóa hóa nhiệt năng, nghĩa chuyển lượng phản ứng hóa học thành nhiệt d Nhiệt phản ứng (hay gọi hiệu ứng nhiệt phản ứng): lượng nhiệt kèm theo phản ứng dạng thu vào hay phát Người ta phân biệt :  Hiệu ứng nhiệt trình đẳng áp ( P = const): ký hiệu ΔH  Hiệu ứng nhiệt q trình đẳng tích ( V= const): ký hiệu ΔU Quy ước dấu : * q trình phát nhiệt có ΔH , ΔU < * q trình thu nhiệt có ΔH , ΔU > (Δ = trạng thái cuối – trạng thái đầu ) Khái niệm hệ , trạng thái , trình : a Hệ (nhiệt động): lượng xác định hay nhiều cấu tử điều kiện nhiệt độ, áp suất nồng độ xác định Phần lại bao quanh hệ gọi môi trường Các loại hệ:  Hệ hở: hệ trao đổi chất lượng với mơi trường ngồi  Hệ kín: hệ khơng trao đổi chất mà trao đổi lượng với môi trường  Hệ cô lập: hệ không trao đổi chất lượng với mơi trường ngồi  Hệ đồng thể : tất cấu tử hệ pha khơng có bề mặt phân chia cấu tử Hệ đồng thể có tính chất hóa, lý giống điểm hệ  Hệ dị thể: cấu tử hệ khác pha có bề mặt phân chia cấu tử ( chất trạng thái rắn , lỏng , khí khác pha , thí dụ hỗn hợp dầu hỏa nước ) b Trạng thái (nhiệt động) hệ thông số trạng thái, hàm trạng thái:  Trạng thái hệ xác định tập hợp đại lượng đặc trưng cho tính chất hố lý hệ nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần, lượng…Các đại lượng nói thơng số trạng thái Trạng thái hệ biến đổi có thông số trạng thái biến đổi  Thông số trạng thái chia làm hai loại: *Thông số dung độ: tỷ lệ với lượng chất hệ như: số mol n, khối lượng m, thể tích V , lượng E, … Các thông số dung độ có tính cộng (có nghĩa cộng đại lượng chất thành phần đại lượng hỗn hợp ) *Thông số cường độ: không tỷ lệ với lượng chất hệ như: nhiệt độ T, tỷ khối d, nồng độ C, khối lượng riêng ρ, thể tích mol … Các thơng số cường độ khơng có tính cộng  Hàm trạng thái hàm biểu diễn mối quan hệ thông số trạng thái Hàm trạng thái có giá trị phụ thuộc vào thông số trạng thái hệ không phụ thuộc vào cách biến đổi hệ (nghĩa không phụ thuộc vào đường trình) Nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nội U, enthalpy H, entropy S, đẳng áp G … hàm trạng thái *Lưu ý: “Thông số trạng thái” khác với “thơng số q trình” Thơng số q trình thơng số phụ thuộc vào đường q trình (như nhiệt Q ,cơng A…) * Để tiện so sánh, đối chiếu, lập liệu ,các đại lượng nhiệt động quy ước điều kiện chuẩn nhiệt hoá sau: o Chất phải tinh khiết trạng thái tập hợp bền p T chuẩn o Chất rắn phải trạng thái đa hình bền điều kiện p T chuẩn o Chất khí phải khí lý tưởng (ở p chuẩn) o Chất dung dịch nồng độ phải mol/l o Áp suất chuẩn atm (101,325kPa ) o Nhiệt độ chuẩn bất kỳ, nhiên thường lấy 298,15oK (25°C)  Trạng thái cân bằng: trạng thái có giá trị thông số trạng thái điểm hệ phải không thay đổi theo thời gian c Quá trình (nhiệt động): hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác người ta nói hệ thực trình o Quá trình đẳng áp: p = const o Q trình đẳng tích: V = const o Quá trình đẳng nhiệt: T = const o Quá trình đoạn nhiệt : Q = const Hệ khơng trao đổi nhiệt song trao đổi cơng với mơi trường xung quanh o Chu trình :là q trình biến đổi hệ qua số giai đoạn đưa hệ đến trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu II NGUYÊN LÝ I VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT: Nguyên lý I nhiệt động học hiệu ứng nhiệt: a Nguyên lý I nhiệt động học:  Nguyên lý I nhiệt động học cách phát biểu khác định luật bảo tồn lượng: “ Khơng có dạng lượng tự sinh tự đi, chúng chuyển từ chuyển thành dạng lượng khác với lượng phải bảo toàn ”  Phát biểu nguyên lý I: Khi cung cấp cho hệ lượng nhiệt Q lượng nhiệt dùng làm tăng nội U hệ giúp hệ thực công A chống lại lực bên ngồi tác động lên hệ  Biểu thức tốn học: A = ∫ PdV Q = ΔU + A Với :  Công A công hệ thực trình chuyển từ trạng thái sang trạng thái để chống lại lực bên tác động lên hệ như : áp suất, điện trường, từ trường, sức căng bề mặt…  Quy ước dấu: Hệ nhận cơng : A < Q trình (V=0) đẳng  ; Hệ sinh cơng : A > tích Cơng dãn nở A = Q trình đẳng áp Cơng dãn nở A = P.V QV = U Qp = U + P.V b Nội U:  Nội U hệ lượng sẵn có, tìm ẩn bên hệ, bao gồm: lượng chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, chuyển động dao động nguyên tử, phân tử, hạt nhân, e hệ; lượng tương tác hút đẩy phân tử, nguyên tử, hạt nhân, e, lượng bên hạt nhân Nói tóm lại, U lượng tồn phần hệ trừ động toàn hệ  Nội U hàm trạng thái, thông số dung độ, đo đơn vị lượng (J/mol; cal/mol) U phụ thuộc vào chất, lượng chất, T, p, V, thành phần hệ  Người ta khơng thể xác định xác tuyệt đối giá trị nội hệ trạng thái (vì đưa hệ nhiệt độ tuyệt đối), dựa vào lượng phát hay thu vào hệ người ta suy cách xác độ biến thiên nội U hệ hệ chuyển trạng thái : U = U2 – U1 = Qv c Enthalpy H:  Đối với trình đẳng áp ta có: Qp = U +PV = (U2 – U1) + P(V2 – V1) = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) = H2 – H1 = H Với: H = U + PV H gọi enthalpy hàm trạng thái hệ H bao gồm nội U khả sinh công tiềm ẩn A hệ Vậy H lượng dự trữ toàn phần hệ Đơn vị đo H: kJ/mol hay kcal/mol Hiệu ứng nhiệt q trình hóa học phương trình nhiệt hóa: a.Hiệu ứng nhiệt: Vậy: Hiệu ứng nhiệt trình đẳng tích U Hiệu ứng nhiệt q trình đẳng áp H Với: H = U +PV * Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn kí hiệu H0298 ; H0 không ý đến T * Quan hệ ΔH ΔU :  Trong phản ứng có chất lỏng chất rắn tham gia phản ứng xảy trạng thái dung dịch V có giá trị khơng đáng kể Do trình thực áp suất thấp (áp suất khí quyển) PV ≈ nên H ≈ U  Trong phản ứng có tham gia pha khí, giả sử khí lý tưởng, ta có: PV = nRT Suy : PV =n.RT (Điều kiện đẳng nhiệt , đẳng áp ) Nên: H = U +n.RT Khi n = => H =U Với: { n = ∑n khí (SẢN PHẨM) -∑n khí (CHẤT ĐẦU) } R= 1,987cal/mol0K = 8,314 J/mol0K b Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn:  Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn chất (H0298 tt )là hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất bền vững điều kiện tiêu chuẩn (25°C,1atm) TD : C(graphit) + O2(k) → CO2(k) ; H0298 = -393,51 kJ H0298 tt CO2(k) = -393,51 kJ.mol-1 =>  Quy ước: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn đơn chất bền (ví dụ: Cl2 khí, Br2 lỏng, I2 rắn, C graphit, S tà phương ,P đỏ )  Nhiệt tạo thành chất thường khoảng 40 – 400 Kj/mol Đại lượng thông thường nhận giá trị âm (quá trình phát nhiệt) c Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn:  Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn chất (H0298 đc) hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất oxy vừa đủ để tạo thành chất bền vững điều kiện tiêu chuẩn  Đối với chất hữu cơ, nhiệt đốt cháy hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất hữu oxy vừa đủ tạo thành khí CO 2, nước lỏng số sản phẩm khác ( N2 , X2 , HX ) TD: C2H6 (k) + 3,5 O2 (k) → CO2 (k) + 3H2O (l) , H0298 = -1558,39 kJ  H0298 đc C2H6 (k) = -1558,39 kJ.mol-1  Như có số phản ứng vừa đốt cháy chất vừa sinh chất kia, nên : TD: H0298 đc C(graphit) = H0298 tt CO2(k) ; H0298 đc H2(k) = H0298 tt H2O(l) * Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn đại lượng tra bảng d Phương trình nhiệt hóa chiều diễn q trình hố học:  Phương trình nhiệt hóa phương trình phản ứng hóa học thơng thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt trạng thái tập hợp, dạng thù hình chất  Có thể xử lý phương trình nhiệt hóa phương trình đại số (cộng, trừ, nhân với hệ số, đổi chiều H chịu cách xử lý) TD: Cho: (1) (2) Tính: (3) C(graphit) + O2(k) →CO2(k) , H0298 (1) C(graphit) +1/2 O2(k) →CO(k) , H0298 (2) 2CO(k) + O2(k) →2CO2(k) , H0298 (x)= ? Nhận xét: [(1) – (2)]2 = (3) => H0298 (x) = 2[H0298 (1) - H0298 (2)] * Dự đoán chiều hướng diễn phản ứng hóa học: điều kiện nhiệt độ thấp, phản ứng phát nhiệt (H < 0) phản ứng có khả xảy tự phát TD: Zn(r) + 2HCl(dd) → ZnCl2(dd) + H2(k), ½ H2(k) + ½ Cl2(k) → HCl(k) , H0298 = -152.6kJ H0298 = -92,8kJ C(graphit) + H2O(k) → CO(k) + H2(k), H0298 = +131,3 kJ Chú ý: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tỷ lệ với lượng chất phản ứng TD: H2(k) + Cl2(k) → HCl(k) H0298 = - 185,6kJ Các định luật nhiệt hóa hệ a Định luật Lavoisier – La Place: 10