Trong quá trình giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp ở trường THPT chuyên, nhiều nội dung kiến thức được mở rộng và nâng cao trong đó có phần nhiệt hóa học – nguyên lí I . Trong đề thi học sinh giỏi quốc gia hàng năm phần bài tập nhiệt hóa học - nguyên lí I hóa học luôn là một nội dung thường xuyên được đề cập. Để có thể giải quyết được các bài tập dạng này, học sinh cần nắm vững những kiến thức cơ bản về nguyên lí I , hiểu rõ khái niệm về công, nội năng, hiệu ứng nhiệt của phản ứng…Chính vì vậy trong bài viết này chúng tôi xin chọn đề tài viết về “ Nguyên lý I- nhiệt động lực học” với một số nội dung cơ bản về lý thuyết và bài tập , nhằm giúp học sinh giải quyết được một số dạng bài tập liên quan đến “ Nguyên lý I - nhiệt động lực học” .
1 CHUYÊN ĐỀ: NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC PHẦN MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Trong trình giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi cấp trường THPT chuyên, nhiều nội dung kiến thức mở rộng nâng cao có phần nhiệt hóa học – ngun lí I Trong đề thi học sinh giỏi quốc gia hàng năm phần tập nhiệt hóa học - ngun lí I hóa học ln nội dung thường xun đề cập Để giải tập dạng này, học sinh cần nắm vững kiến thức nguyên lí I , hiểu rõ khái niệm công, nội năng, hiệu ứng nhiệt phản ứng…Chính viết chúng tơi xin chọn đề tài viết “ Nguyên lý I- nhiệt động lực học” với số nội dung lý thuyết tập , nhằm giúp học sinh giải số dạng tập liên quan đến “ Nguyên lý I - nhiệt động lực học” Mục đích nghiên cứu Trên sở kiến thức lý thuyết xây dựng tập vận dụng khía cạnh khác , tập đưa chọn lọc có tính hệ thống, từ giúp người đọc dễ dàng nắm bắt giải tập liên quan đến nội dung cách thục Giới hạn nghiên cứu Bài tập phần nguyên lí I nhiệt động lực học Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống nội dung lý thuyết trọng tâm nguyên lí I nhiệt hóa học Xây dựng tập học sinh giỏi cấp ôn luyện Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nội dung phần nguyên lí I nhiệt động lực học Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp từ tài liệu Phân loại xây dựng hệ thống tập có liên quan II PHẦN NỘI DUNG A CƠ SỞ LÝ THUYẾT I MỘT SỐ KHÁI NIỆM Hệ: Thông thường, ta khảo sát lượng xác định chất cụ thể đó, tưởng tượng tách riêng đối tượng nghiên cứu khỏi mơi trường xung quanh gọi hệ Hệ ngăn cách với mơi trường xung quanh ranh giới cụ thể ranh giới tưởng tượng Hệ hở ( hệ mở): Hệ có trao đổi chất lượng với mơi trường xung quanh Hệ kín: hệ khơng có trao đổi chất có trao đổi lượng với mơi trường xung quanh (thể tích thay đổi) Hệ lập: hệ không trao đổi chất không trao đổi lượng với mơi trường xung quanh (thể tích khơng đổí) Hệ đồng thể: hệ khơng có bề mặt phân chia pha phần khác nhau, đo tính chất lý hóa khơng đổi tồn thể tích hệ (hệ pha) Ví dụ: Dung dịch nước muối muối tan hết Hệ dị thể: hệ gồm nhiều phần khác tính chất lý hóa ngăn cách bề mặt phân chia pha (Hệ nhiều pha) Ví dụ: Ly nước muối tinh thể muối chưa tan; nước đá tan gồm hai pha nước lỏng nước đá Quá trình: thay đổi hệ có kèm theo thay đổi thơng số trạng thái + Q trình đẳng áp: q trình xảy áp suất khơng đổi ( P = const) + Q trình đẳng tích: q trình xảy điều kiện thể tích khơng đồi (V =const) + Quá trình đẳng nhiệt: trình xảy điều kiện nhiệt độ không đổi (T =const) Một q trình hệ biến đổi qua nhiều giai đoạn lại trở trạng thái ban đầu gọi q trình kín hay chu trình “ Q trình thuận nghịch; q trình thực theo chiều thuận chiều nghịch; theo chiều nghịch, hệ mơi trường bên ngồi trở trạng thái ban đâu, không xảy thay đổi nhỏ Nếu ngược lại q trình khơng thuận nghịch - Trong tự nhiên thường gặp q trình khơng thuận nghịch, hồn tồn khơng có q trình thuận nghịch Tuy nhiên tạo điều kiện nhiều q trình diễn với sai lệch tính thuận nghịch Ví dụ: giãn nở đẳng nhiệt khí lý tưởng xi lanh tác dụng thay đổi tải trọng bé - Các q trình khơng thuận nghịch tự nhiên xảy theo chiều không cần tiêu thụ nặng lượng bên (nghĩa tự xảy ra) Ví dụ: khuếch tán chất khí Người ta quy ước: Năng lượng khối lượng hệ nhận tính dương Tất hệ cung cấp tính âm Định luật Hess Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học phụ thuộc vào trạng thái chất đầu cuối, hồn tồn khơng phụ thuộc vào cách khác để thực phản ứng Sinh nhiệt hay biến thiên Entanpy hình thành ΔH phản ứng hình thành mol hợp chất từ đơn chất tương ứng với trạng thái bền vững hay thường gặp nguyên tố tự hợp chất điều kiện cho nhiệt độ áp suất gọi biến thiên entanpy hình thành Δ fH hay sinh nhiệt hợp chất Biến thiên hình thành chuẩn hay sinh nhiệt chuẩn Kí hiệu Δ fH0 sinh nhiệt xác định điều kiện chuẩn ( t = 0C p < 1bar) VD: ΔfH0 ( CaCO3)= =1206,9 KJ/mol hiệu ứng nhiệt phản ứng Ca( rắn) + C(rắn) + 3/2 O2 (k) → CaCO3(r) : ΔfH0 ( CaCO3)= =1206,9 KJ/mol Biến thiên entanpy đốt cháy (thiêu nhiệt) Biến thiên entanpy đốt cháy ( thiêu nhiệt), kí hiệu Δ cH hiệu ứng nhiệt phản ứng oxi hóa mol đơn chất hay hợp chất oxi phân tử thành oxit nguyên tố tương ứng VD: ΔcH0 C2H5OH hiệu ứng nhiệt phản ứng cháy C2H5OH(l) + 7/2O2 (k) → 2CO2 ( k) + 3H2O (k) Sinh nhiệt nguyên tử Sinh nhiệt nguyên tử chất biến thiên entanpy trình giả tưởng đố nguyên tố trạng thái khí đơn nguyên tử kết hợp tạo thàn mol phân tử khí chất đố điều kiện nhiệt độ áp suất không đổi cho trước VD: Sinh nhiệt nguyên tử CH biến thiên entanpy phản ứng C(k) + 4H(k) → CH4 ( k) Năng lượng liên kết Năng lượng liên lượng giải phóng nguyên tử tự tráng thái khí kết hợp với tạo thành mol liên kết phân tử trạng thái khí nhiệt độ áp suất không đổi VD: 2H(k) → H2 EH-H = 432,2 KJ/mol Nếu hình thành liên kết: E X-X < Nếu phá vỡ liên kết:E X-X > II HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC 2.1 Nguyên lý I nhiệt động học 2.1.1 Nhiệt công Nhiệt cơng hai hình thức truyền lượng hệ Công ký hiệu A nhiệt ký hiệu Q Quy ước dấu Công A Nhiệt Q Hệ sinh >0 CO2(K) + 2H2O(K) = -393,51 - 241,83 x - (- 201,17) = - 676,00kJ U 298 = H 298 - nRT = -676,00.103 - 0,5 x 8,314 x 298 U 298 = -677,24kJ C p = 37,129 + 33,572 x - 49,371 - 29,372 x 1,5= 10,844J.K-1 H T0 = - 676,00.103 + T = 273 + 227 T 10,844dT 298 = -673,81kJ 19 Câu Cho phương trình nhiệt hóa học sau đây: (1) ClO2 (k) + O3 (k) → Cl2O7 (k) ΔH0 = - 75,7 kJ (2) O3 (k) (3) ClO3 (k) + O (k) → Cl2O7 (k) ΔH0 = - 278 kJ (4) O2 (k) → O (k) ΔH0 = 498,3 kJ → O (k) + O (k) ΔH0 = 106,7 kJ k: kí hiệu chất khí Hãy xác định nhiệt phản ứng sau: (5) ClO2 (k) + O (k) → ClO3 (k) Giải Kết hợp pt (1) (3) ta có ClO2 (k) + 1/2 O3 (k) → 1/2 Cl2O7 (k) ΔH0 = - 37,85 kJ 1/2 Cl2O7 (k) → ClO3 (k) + 1/2 O (k) ΔH0 = 139 kJ (6) ClO2 (k) + 1/2 O3 (k) → ClO3 (k) + 1/2 O (k) ΔH0 = 101,15 kJ Kết hợp pt (6) (2) ta có ClO2 (k) + 1/2 O3 (k) → ClO3 (k) + 1/2 O (k) ΔH0 = 101,15 kJ 1/2 O2 (k) + 1/2 O (k) → 1/2 O3 (k) ΔH0 = -53,35 kJ (7) ClO2 (k) + 1/2 O2 (k) → ΔH0 = 47,8 kJ ClO3 (k) Kết hợp pt (7), (4) (2) ta có : ClO2 (k) + 1/2 O3 (k) → ClO3 (k) + 1/2 O (k) O (k) → 1/2 O2 (k) 1/2O (k) + 1/2O (k) → (5) ClO2 (k) + O (k) → ΔH0 = - 249,15 kJ 1/2O3 (k) ClO3 (k) Câu ( Tài liệu chuyên hóa 10) ΔH0 = 101,15 kJ ΔH0 = - 53,35 kJ ΔH0 = - 201,35 kJ 20 Xác định lượng liên kết C-C phân tử C2H6 Biết thiêu nhiệt tiêu chuẩn C 2H6(k) -372,8 kcal/mol, sinh nhiệt tiêu chuẩn CO2(k) - 94,6 kcal/mol; sinh nhiệt tiêu chuẩn H2O (1) - 68,4 kcal/mol; nhiệt thăng hoa C(gr) 172 kcal/moi; nhiệt phân ly H2(k) 104,2 kcal/mol; EC- H C2H6 99,6 kcal/mol Ta có ΔHp,C2H6 = ΔHc, C2H6 -2ΔHs, CO2 - 3ΔHs,H2O +3ΔHp,H2 + 2ΔHth,C = -372,8 -2( -94,6) -3(-68,4) + 3(104,2) + 2(172) =678,2 kcal/mol mà ΔHp,C2H6 = EC-C +6EC-H → EC-C = 678,2-6(99,6) = 80,6 kcal/mol Câu ( DH ĐB BB- chuyên Bắc Ninh- 2015) Một phản ứng dùng để luyện kẽm theo phương pháp khô là: ZnS(r) + 3/2O2(k) → ZnO(r) + SO2(k) Tính ∆Ho phản ứng nhiệt độ 298K 1350K, coi nhiệt dung chất không phụ thuộc vào nhiệt độ miền nhiệt độ nghiên cứu Giả thiết ZnS ngun chất Lượng ZnS khơng khí (20% O 80% N2 theo thể tích) lấy tỉ lệ hợp thức bắt đầu 298K đạt đến nhiệt độ hấp thụ lượng nhiệt tỏa phản ứng điều kiện chuẩn 1350K (lượng nhiệt dùng để nâng nhiệt độ chất đầu) Hỏi phản ứng có trì khơng, nghĩa khơng cần cung cấp nhiệt từ bên ngồi, biết phản ứng xảy nhiệt độ không thấp 1350K? Cho biết: + Entanpi tạo thành chuẩn chất 25oC (kJ.mol-1) Hợp chất ZnO(r) ZnS(r) SO2(k) ∆Hof -347,98 -202,92 -296,90 + Nhiệt dung mol đẳng áp chất (J.K-1.mol-1):