Bài tập lớn môn học nhiệt Động hóa học Đề tài sưu tầm và giải bài tập về Định luật hess

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI sơ sài, lượng bài tập còn ít, chưa đủ để trang bị cho học sinh, chưa đáp ứng được yêu cầu của các kì thi Học sinh giỏi các cấp và định hướng phát triển năng lực của học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐẠI HỌC HUẾ

KHOA SƯ PHẠM KHOA HỌC TỰ NHIÊN -🙞🏵🙜 -

BÀI TẬP LỚN Môn học: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

ĐỀ TÀI: SƯU TẦM VÀ GIẢI BÀI TẬP VỀ ĐỊNH LUẬT HESS

Huế, tháng 12 – 2024

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

sơ sài, lượng bài tập còn ít, chưa đủ để trang bị cho học sinh, chưa đáp ứng được yêu cầu của các kì thi Học sinh giỏi các cấp và định hướng phát triển năng lực của học sinh Tài liệu tham khảo thường được sử dụng là các tài liệu ở bậc đại học, cao đẳng và các tài liệu nước ngoài Khi áp dụng những tài liệu đó cho học sinh THPT thì lại quá rộng Nếu căn cứ vào các tài liệu như đề thi khu vực, HSG Quốc gia, Olympiad Quốc tế thì

có nhiều bài tập đề cập đến nhưng kiến thức ngoài chương trình Để khắc phục điều này, mỗi giáo viên THPT phải tự vận động, mất rất nhiều thời gian và công sức bằng cách cập nhật thông tin từ mạng internet, trao đổi với đồng nghiệp, tự nghiên cứu tài liệu…Từ

đó, giáo viên tự biên soạn nội dung chương trình dạy và xây dựng tài liệu dạy - học để phục vụ cho công việc giảng dạy của mình Từ những lý do trên em xin chọn đề tài

“Sưu tầm và giải bài tập về định luật Hess.” làm đề tài bài tập lớn

III Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, sưu tầm và giải bài tập để chuẩn bị cho giảng dạy, bồi dưỡng học sinh

IV Phương pháp nghiên cứu

Đọc và nghiên cứu các tài liệu về Boron và hợp chất của Boron trong chương trình học , giáo trình cùng các tài liệu liên quan

Từ các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm , biên soạn câu hỏi và đưa ra đáp

án cho các bài tập

V Đối tượng nghiên cứu – Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nguyên Lý I nhiệt động lực học và định luật Hess

Phạm vi nghiên cứu: ở trường Trung học phổ thông, THPT chuyên và bậc Đại học

VI Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Tổng quan lý thuyết về Nguyên Lý I nhiệt động lực học và định luật Hess, thực hành bài tập áp dụng cho phổ thông và đại học tuyển chọn, giải chi tiết và bàn luận về các bài tập về Nguyên Lý I nhiệt động lực học và định luật Hess cùng các bài tập liên quan

PHẦN II NỘI DUNG CHI TIẾT Phần A Tổng quan về lý thuyết

Sự trao đổi năng lượng của hệ với môi trường xung quanh có thể thực hiện bằng hai

con đường: hệ nhận một lượng nhiệt (+Q) của môi trường bên ngoài và thực hiện một

công (-A) hoặc hệ nhận một công (+A) từ môi trường bên ngoài và tỏa ra một lượng nhiệt (-2) Như vậy sự biến đổi năng lượng của hệ (AE) được biểu diễn dưới dạng biểu thức toán học:

E = Q + A

Đây là dạng toán học của nguyên lí thứ nhất nhiệt động

2 Một số khái niệm

a Nội năng, U

Nội năng U của một hệ là tổng động năng và thế năng của tất cả các hạt vi mô trong

hệ (phân tử, nguyên tử, electron, hạt nhân, dao động, quay, tịnh tiến, ) Ta không thể đo được giá trị tuyệt đối của nội năng, nhưng có thể biết được sự biến đổi nội năng của hệ nhờ nhiệt và công mà hệ trao đổi với môi trường xung quanh Một hệ được xác định bởi những tính chất đặc trưng là: thành phần, nhiệt độ, áp suất và thể tích

Nội năng U là một hàm trạng thái, tức là nội năng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của

hệ không phụ thuộc vào hệ đó được hình thành như thế nào

Ví dụ: Khi đun nóng pittong (truyền nhiệt cho CO2, làm tăng động năng của khí tức tăng nội năng U), khí giãn nở và đầy pittong từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 (hình bên) thì dừng lại (cân bằng áp suất trong và ngoài pittong) Gọi Q là lượng nhiệt hệ hấp thụ:

A = P(V2 – V1) = PV

Ta có độ biến thiên nội năng:

ΔU U 2U1   Q A Q PΔV

Trong trường hợp thể tích của hệ không đổi (gọi là đẳng tích) thì

V

ΔU QVậy nhiệt đẳng tích là một hàm trạng thái nghĩa là nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối

b Nhiệt tạo thành – sinh nhiệt

Nhiệt tạo thành của một chất là nhiệt lượng tỏa ra hay hấp thụ trong phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất

ΔH = ΔH(sản phẩm) - ΔH(tham gia)

3 Nhiệt phản ứng – khái niệm Enthalpy – Các phương pháp tính nhiệt phản ứng

a Nhiệt phản ứng (kí hiệu H, là biến thiên enthalpy)

Trong phản ứng hóa học, vì tổng năng lượng của các chất tham gia và các chất tạo thành không bằng nhau, nghĩa là có sự biến đổi năng lượng Sự biến đổi năng lượng (tỏa

ra hoặc hấp thụ) được thể hiện dưới dạng nhiệt năng, quang năng hoặc điện năng, trong

đó nhiệt năng đóng vai trò quan trọng nhất Nhiệt phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hay hấp thụ trong một phản ứng hoá học Phản ứng tỏa nhiệt H < 0, phản ứng thu nhiệt H >

0 Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu tổng năng lượng của các chất tham gia phản ứng lớn hơn tổng năng lượng của các chất tạo thành (sản phẩm) thì phản ứng tỏa nhiệt

và ngược lại

Ví dụ:

1

H (k) 1/ 2O (k)   H O(k)    H 241,8kJ.mol (tỏa nhiệt)

Chiều ngược lại là chiều thu nhiệt

p 2 1

Q  H  H  ΔH

H được gọi là entanpi, nú là một hàm trạng thỏi vỡ U và PV là hàm trạng thỏi

H là sự biến thiờn entanpi của hệ

+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng chỏy bằng tổng nhiệt chỏy của cỏc chất phản ứng trừ

đi tổng nhiệt chỏy của cỏc sản phẩm (cú kể cỏc hệ số)

H0298 = H0298, đốt cháy(tỏc chất ) - H0298, đốt cháy(sản phẩm )

-Bằng năng lượng liờn kết

+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng liờn kết cú trong phõn tử cỏc tỏc chất trừ tổng năng lượng liờn kết cú trong phõn tử cỏc sản phẩm (cú kể cỏc hệ số)

H0298 = H0298, liên kết(tỏc chất ) - H0298, liên kết(sản phẩm )

II Định luật Hess

1 Phỏt biểu định luật

Phỏt biểu: Nhiệt phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thỏi đầu của cỏc chất phản ứng và

trạng thỏi cuối của cỏc sản phẩm phản ứng mà khụng phụ thuộc vào cỏc trạng thỏi trung gian (tức là khụng phụ thuộc vào con đường tiến hành phản ứng

Vớ dụ

Theo định luật Hess: H = H1 + H2

2 Áp dụng định luật – hệ quả định luật

 Hệ quả của định luật Hess:

+ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch nhưng ngược dấu

H thuận = - H nghịch

- Nhiệt phản ứng của một phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các chất sản phẩm trừ đi tổng nhiệt sinh của các chất tham gia phản ứng

s

ΔH ΣΔH (sản phẩm) - ΣΔHs(tham gia)

- Nhiệt phản ứng của một phản ứng bằng tổng nhiệt cháy của các chất tham gia phản

ứng trừ đi tổng nhiệt cháy của các sản phẩm phản ứng

áp H

ΔH = ΔU + ΔnRT

3 Chu trình Born-Haber

Phần B Bài tập

Dạng 1: Tính hiệu ứng nhiệt theo định luật Hess

Câu 1 – Đề bài phần tự luyện trong KEM – Tạp chí olympiad Hóa Học tháng 8

2016

Tính năng lượng liên kết trung bình C-H từ các kết quả thực nghiệm sau

- Nhiệt đốt cháy CH4= -801,7 kJ/mol

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

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

- Nhiệt hóa hơi carbon than chì= 715 kJ/mol

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

Các kết quả đều đo được ở 2980K và 1 atm

Năng lượng liên kết C-H = 413,175 kJ/mol

Câu 2 – Đề bài phần tự luyện trong KEM – Tạp chí olympiad Hóa Học tháng 9

b Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethylene

2 2C 2O 2CO 2 H 787, 028 KJ / mol

Tính nhiệt sinh chuẩn của As2O3 tinh thể biết rằng:

As2O3 (s) + 3H2O (l)  2H3 AsO3 (aq) ΔH1 = 31,59 kJ/mol AsCl3 (s) + + 3H2O (l) H3AsO3 (aq) + 3HCl (aq) ΔH2 = 73,55 kJ/mol

a Tính enthalpy tạo thành chuẩn (∆fH2980 ) của HCl, CO2 và COCl2.

b Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng sau:

Đơn chất có ∆fH2980 = 0 => ∆fH2980 (CO2) = - 393,5 kJ/mol

Áp dụng định luật Hess => - (3) + (5) => C + 0,5O2 + Cl2 COCl2 (8)

=> ∆H(8) = - ∆H(3) + ∆H(5) = - 223 kJ

Đơn chất có ∆fH2980 = 0 => ∆fH2980 (COCl2) = - 123 kJ/mol

Vậy nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của FeCl2 (r) là - 80,98 kcal

Câu 6 – Đề bài phần tự luyện trong KEM – Tạp chí olympiad Hóa Học tháng 1

Nhiệt tạo thành HCl (k) là 0 1

4

ΔH   92,3kJ.mol  Nhiệt hóa hơi H2O (298K) là 0 1

Nhiệt hình thành của CO là -1 10,40 kJ.mol-1

Nhiệt hình thành của CO2 là -393,13 kJ.mol-1

Vậy, nhiệt hình thành 1 mol AlCl3 là -694,725kJ

Câu 8 – Đề bài phần tự luyện trong KEM – Tạp chí olympiad Hóa Học tháng 1

(*) 6Fe + 6CO(g) + 6CO 6

Vậy giá trị của x = 19,42 kJ < 0 nên phản ứng (3) thu nhiệt

Câu 9 – Đề bài phần tự luyện trong KEM – Tạp chí olympiad Hóa Học tháng 1

Cho rH0298của các phản ứng sau:

a Tính giá trị của x và cho biết phản ứng (1) thu nhiệt hay toả nhiệt?

b Động Phong Nha là một hang động thuộc vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng và là danh thắng tiêu biểu nhất trong quần thể hang động tại đây Các thạch nhũ trong động trải qua hàng triệu năm kiến tạo từ đá vôi dạng karst, bị nước mưa thẩm thấu, hòa tan và chảy xuống tạo thành những nhũ đá vô cùng lạ mắt như hình sư tử, hình ngai vàng, hình Đức Phật Thạch nhũ được hình thành dựa trên phản ứng sau đây:

Ta có như sau: Ca(HCO3)2 Ca(OH)2 dd + 2CO2 khí  0 

lượng nhiệt cần thu vào để tạo ra 1 kg thạch nhũ là9,5.36,32 345,04kJ 

Câu 10 - Đề kỷ yếu môn hóa trại hè Hùng Vương 2015 – Chuyên Lê Quý Đôn Điện Biên

Sử dụng các dữ kiện sau, tính sinh nhiệt hình thành (HNO2(dd)) trong dung dịch nước trong điều kiện đẳng áp và đẳng tích:

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 hydrogen = - 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 298 K và 1 atm)

Đáp án

a) Phương trình cần tổ hợp

H C

CH4(K)  (K) 4 o

H C

H 

 4Theo bài ra ta có: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O H0 = -801,7 2H2)  O2 + 2H2 - H0 = -2(-241,5)

H 

 4

2C(r)  2C(k) 2H0 = 2 715

3H2(k)  6H(k) 3H0 = 3.431,5

C2H6(k)  2C(k) + 6H(k) Ho

Ho = H0 - 3H0 3 2H0 + 2H0 + 3H0

= -1412,7 + 3 241,5 + 2 393,4 + 2 715 + 3 431,5

= -1412,7+ 724,5 + 786,8 + 1430 + 1294,5 = 2823,1

Ho = EC-C + 6EC-H EC-C = 2823,1 - 6 413,715 = 345,7 KJ/mol

Câu 12 – Đề kỷ yếu môn hóa trại hè Hùng Vương 2014

Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau diễn ra trong nước ở 250C

3Fe(NO3)2 (aq) + 4HNO3 (aq) → 3Fe(NO3)3 (aq) + NO(k) + 2H2O(l)

Câu 13 - Đề kỷ yếu môn hóa trại hè Hùng Vương 2015 – Chuyên Tuyên Quang

Fe(r)+2HCl(dd)FeCl2(dd)+ H2 (k) H1 = -21,00Kcal

FeCl2 (dd) FeCl2 (r) - H2 = +19,5Kcal

H2 (k) + Cl2 (k)  2HCl (k) H4 = -44,48Kcal

2HCl (k) 2HCl (dd) - 2H3 = -35Kcal

Fe(r) + Cl2(k) FeCl2(r) H = ?

Đáp án

Fe(r)+2HCl(dd)FeCl2(dd)+ H2 (k) H1 = -21,00Kcal

FeCl2 (dd) FeCl2 (r) - H2 = +19,5Kcal

H2 (k) + Cl2 (k)  2HCl (k) H4 = -44,48Kcal

2HCl (k) 2HCl (dd) - 2H3 = -35Kcal

Fe(r) + Cl2(k) FeCl2(r) H

Cộng theo vế ta được:

H = -21+19,5-44,48-35= -80,98 Kcal

Dạng 2: Chu trình Born – Haber

Câu 14 - Đề chọn đội tuyển olympic Hóa học Hà Lan 2017

Lập chu trình Born – Haber và tính năng lượng ion hóa thứ hai của Ti từ các số liệu

sau:

Năng lượng thăng hoa của Ti(r): 425,0 kJ.mol1;

Năng lượng nguyên tử hoá của O2(k): 494,0 kJ.mol1;

Năng lượng ion hoá thứ nhất của Ti: 658,0 kJ.mol1;

Ái lực electron của O: 141,5 kJ.mol1;

Ái lực electron của O: 797,5 kJ.mol1;

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của TiO(r): 416,0 kJ.mol1;

Năng lượng mạng lưới tinh thể của TiO: -3712,0 kJ.mol1

Tính năng lượng mạng lưới của tinh thể NaCl từ các dữ kiện thực nghiệm sau đây bằng cách xây dựng chu trình Born Haber

Nhiệt thăng hoa của Na(r): 20,64 kcal/mol

Năng lượng liên kết của Cl2: 58 kcal/mol

Ái lực với electron của clo: 83,17 kcal/mol

Năng lượng ion hóa thứ nhất của Na: 119,98 kcal/mol

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 2Na(r) + Cl2(k)  2NaCl(r) là 196,46 kcal

Đáp án

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

2Na(r) + Cl2(k)  2NaCl(r) là 196,46 kcal

Suy ra: Na(r) + 1

plH



EH

)

1 2

tt (NaClr th I pl E ml

            H ml   154,56 kcal/mol

Câu 16 – Đề chọn đội tuyển HSGQG tỉnh Đắk Nông năm 2016

Cho các dữ kiện sau:

Thăng hoa của Na 108,68 Liên kết của Cl2 242,60 Ion hóa thứ nhất của Na 495,80 Mạng lưới NaF 922,88

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 bằng cách thiết lập chu trình Born - Haber

Câu 17 – Đề chọn đội tuyển HSGQG tỉnh Phú Yên 2017

Tính năng lượng mạng lưới tinh thể CaO bằng các dữ kiện sau, xây dựng chu trình Born – Haber để tính:

∆H/(kJ mol−1)

Năng lượng ion hóa Ca(g) thành Ca2+(g) +1735

Năng lượng phân li liên kết của O2(g) +498

Câu 18 - Duyên Hải Bắc Bộ 2015 - Chuyên Trần Phú Hải Phòng

Tính năng lượng mạng lưới tinh thể BaCl2 từ 2 tổ hợp dữ kiện sau:

(1) - Enthalpy tạo thành của BaCl2 tinh thể: - 859,41 kJ/mol

- Enthalpy phân li của Cl2: 238,26 kJ/mol

- Enthalpy thăng hoa của Ba: 192,28 kJ/mol

- Năng lượng ion hoá thứ nhất của Ba: 500,76 kJ/mol

- Năng lượng ion hoá thứ hai của Ba: 961,40 kJ/mol

- Ái lực electron của Cl : - 363,66 kJ/mol

(2) - Enthalpy của quá trình hoà tan 1 mol BaCl2 vào  mol H2O là: 10,16kJ/mol

Nhiệt hiđrat hoá ion Ba2+ : - 1344 kJ/mol

- Nhiệt hydrate hoá ion Cl- : - 363 kJ/mol

Trong các kết quả thu được, kết quả nào đáng tin cậy hơn

Câu 19 – Duyên Hải Bắc Bộ 2015 - Chuyên Lê Hồng Phong Nam Định

Xác định năng lượng của liên kết C – C trên cơ sở các dữ kiện sau :

Áp dụng định luật Hess cho chu trình này, ta được :

0

2

 = Eb(C – C) + 6Eb(C – H) –210 – 3Eb(H – H) + 203 + 304

Thay các giá trị vào hệ thức này sẽ thu được : Eb(C – C) = 346 kJ/mol

Câu 20 - Trại Hè 30/4 năm 2017 – Chuyên Lê Hồng Phong

Sục khí NH3 vào dung dịch SCl2 sinh ra chất rắn màu đỏ dễ nổ S4N4 Cấu trúc của chất này có thể biểu diễn bằng nhiều cách, một trong những cách là như hình cho dưới đây:

a Viết chu trình Born-Haber cho sự tạo thành S4N4 và xác định entalpy tạo thành

S4N4

b Xác định biến thiên entalpy của phản ứng giữa NH3 với SCl2

Cho: Eb (S-S) = 226 kj/mol ; Eb (N≡N) = 946 kj/mol ; Eb (S-N) = 273 kj/mol; Eb (S=N) = 328 kj/mol;

∆Hhóa hơi (S8) 77 kj/mol; ∆H hóa hơi (S4N4) = 88 kj/mol;

∆fH (SCl2) = -50 kj/mol; ∆fH (NH3) = -459 kj/mol; ∆fH (HCl) = -92,3 kj/mol

Đáp án

a Chu trình Born-Haber cho sự hình thành S4N4:

Xác định entalpy tạo thành S4N4:

Câu 21 –Trại Hè 30/4 năm 2016 – Chuyên Lê Quý Đôn Vũng Tàu

Ái lực của NH3(k) với proton H+(k) ứng với quá trình: NH3(k) + H+(k)  NH4+(k) (1)

Tính ΔHo298 của quá trình (1) ở 25oC bằng cách thiết lập chu trình Born - Haber dựa vào các dữ kiện sau:

Năng lượng phân ly liên kết H–H: EH-H = 432 kJ.mol-1

Năng lượng ion hóa của H: I(H, k) = 1312 kJ.mol-1

Ái lực với electron của Cl: A1(Cl, k) = - 348 kJ.mol-1

Năng lượng mạng lưới ion NH4Cl(tt): 4 )

2 –348–697] = – 870,8 kJ.mol-1

Dạng 3: Bài tập tổng hợp

Câu 22 - Duyên Hải Bắc Bộ 2016 – Chuyên Lê Quý Đôn Đà Nẵng

Một số loại côn trùng có khả năng tự vệ rất lý thú, khi gặp nguy hiểm hoặc kẻ thù, chúng

có khả năng phun ra dòng dung dịch rất nóng để xua đuổi kẻ thù

Một trong những phản ứng được công nhận rộng rãi nhất là của các chất thuộc lớp

hidroquinon (kí hiệu là BH 2 ) với H2O2 Một hợp chất BH2 được quan tâm năm 2016 chứa 25,78% oxi theo khối lượng Cơ chế phản ứng được đề nghị như sau:

Xác định hiệu ứng nhiệt ở điều kiện chuẩn các phản ứng (1); (2) và (3) Chấp nhận ∆H;