KINH NGHIỆM DẠY CÁC BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

Với ýđịnh đó, trong sáng kiến kinh nghiệm SKKN này tôi muốn đưa ra hệ thống về lýthuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi cáccấp về bài toán nhiệt hóa

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I LỜI MỞ ĐẦU:

Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên làlàm sao có thể phát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tưduy một cách tốt nhất đặc biệt là trong bộ môn hóa học ( môn học nghiên cứu vàsáng tạo) Việc vận dụng các kiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quátrình rất tốt để học sinh có thể phát triển tư duy cho học sinh

Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự học, tự sáng tạo của học sinhthì giáo viên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như nhữngphương pháp các bài tập phù hợp với mức độ yêu cầu của các kỳ thi Trong quátrình giảng dạy đặc biệt là dạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi họcsinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâukiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài liệu và việc tự học sinh nghiêncứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là rất khó.Vì vậy thực tếyêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho học sinhcũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh Với ýđịnh đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống về lýthuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi cáccấp về bài toán nhiệt hóa học- cân bằng hóa học Dĩ nhiên phương pháp này nó là

sự kết hợp giữa lý thuyết mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổthông

II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:

* Thực trạng :

Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổthông đặc biệt là trong các kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên Vấn đề đặt ra làkhi gặp một bài toán ở dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình

cơ bản ( Bài toán nhiệt động và cân bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiềukhó khăn và thường không làm được

Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảngdạy thêm cho học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bàitập liên quan cho học sinh đặc biệt là những kiến thức nâng cao nhằm phục vụcho các kỳ thi quan trọng

* Kết quả, hiệu quả:

Với thực trạng nêu trên với những học sinh có kỹ năng tốt sẽ suy luận đểđưa ra những cách giải hợp lý không không giải được Từ đó ta thấy việc học sinh

tự tìm hiểu các kiến thức mới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinhcòn nhiều hạn chế và chưa phù hợp với mức độ của các kỳ thi

Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho họcsinh thói quen khi gặp các vấn đề mới mà trong chương trình phổ thông còn hạnchế thì giáo viên phải là người đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tựhọc kiến thức mới và đưa ra các phương pháp phù hợp Do đó trong quá trình

giảng dạy tôi có đưa ra một phương pháp giải nhanh bài toán hóa học : Bài toán

nhiệt hóa học – cân bằng hóa học

Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra một trong những phầnkiến thức và một số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi Nội dung được thiếtlập và được sử dụng có hiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở rộng thôngqua nội dung kiến thức, sự tích lũy thành những kiến thức căn bản nhất cho họcsinh trong chuyên đề

B CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN:

- Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh:

* PHẦN 1: HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHO HỌC SINH:

I Phần 1:

Cung cáp lý thuyết cho học sinh về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa học

A Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học

I Hệ:

1 Khái niệm:

* Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian

xác định

* Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.

* Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi

trường ngoài

* Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.

* Hệ đồng thể là hệ mà trong đó không có sự phân chia thành các khu vực khác

nhau với những

tính chất khác nhau Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất

* Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau.

2 Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ:

* Các đại lượng dung độ (khuếch độ) là các đại lượng phụ thuộc vào lượng chất

như khối lượng, thể tích …Các đại lượng này có tính chất cộng

* Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như

nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng…

B Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

I Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay

hấp thụ trong phản ứng đó

II Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt:

1 Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:

• Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆Ho của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứngtạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiệntiêu chuẩn

* Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆Ho của đơn chất ở trạng thái bền vững ởđiều kiện tiêu chuẩn bằng không

• Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một

mol chất đó thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn.Như vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trịbằng nhau nhưng trái dấu

2 Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất: là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt

cháy một mol chất đó bằng O2 để tạo thành các sản phẩm ở dạng bền vững nhất ởđiều kiện tiêu chuẩn

3 Nhiệt hoà tan của một chất: là hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan một mol

chất đó

III Định luật Hess

“Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầucủa các chất phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụthuộc vào các giai đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từtrạng thái đầu tới trạng thái cuối”

IV Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng

1 Phương pháp thực nghiệm:

Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể xác định hiệu ứng nhiệtcủa phản ứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế Nhiệtlượng kế được bố trí sao cho không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung

lượng kế, đây là nơi thực hiện phản ứng hoá học Trong thùng còn đặt một nhiệt

kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que khuấy để để duy trì cân bằngnhiệt trong cả hệ

Phản ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế Nhiệt lượng giải phóng

ra (phương pháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ

và làm tăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2 Ta xác định được nhiệtlượng toả ra Q như sau:

(1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K))

Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng

2 Phương pháp xác định gián tiếp.

Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của cácquá trình đã cho bằng các cách sau:

(1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học

(2) Cộng đại số các quá trình

(3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩmtrừ tổng sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).(4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham giatrừ tổng thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).(5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất

cả các liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất

cả các liên kết trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

B Nguyên lý I nhiệt động học

Q = C(T 2 – T 1 )

I Nội dung

Nội dung của nguyên lý I nhiệt động học là sự bảo toàn năng lượng:

“Năng lượng không thể sinh ra cũng như không thể tự biến mất mà chỉ có thểchuyển từ dạng này sang dạng khác”

II Nội năng U và entanpi H

* Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, baogồm: năng lượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử,năng lượng liên kết, năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyểnđộng của phân tử …

* Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác địnhđược sự biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác.Giả sử ở trạng thái đầu 1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W vàchuyển thành trạng thái 2 thì biến thiên nội năng của hệ là: ∆U = Q + W (Quiước hệ nhận nhiệt thì Q > 0 và hệ sinh công thì W < 0)

* Nếu phản ứng xảy ra trong bình kín, dung tích không đổi (quá trình đẳngtích) thì W = 0, khi đó: QV = ∆U

* Nhưng nhiều phản ứng được thực hiện ở áp suất không đổi là áp suất khíquyển (quá trình đẳng áp), khi đó: W = - P.∆V

Khi áp suất không đổi, lượng nhiệt QP đúng bằng biến thiên entanpi ∆H

III Quan hệ giữa Q P và Q V

∆n: Độ biến thiên số mol khí

* Chú ý: So với thể tích mol của chất khí, thể tích mol của chất rắn và lỏng

rất nhỏ, không đáng kể Do đó, biến thiên thể tích của chất rắn và lỏng trong cácphản ứng hoá học được coi bằng không Vì vậy, khi xét công cơ học ta chỉ chú ýđến biến thiên thể tích của các chất khí

IV Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Định luật Kirchoff

(3)

trong đó:

∆HTi: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở Ti K

∆CP: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp của các chất trong phản ứng

Nếu nhiệt dung của các chất không phụ thuộc vào nhiệt độ thì ∆CP = Const, khiđó:

∆ H T 2 = ∆ H T 1 + ∆ C P (T 2 – T 1 )

I Khái niệm entropi

* Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độnphân tử của hệ cần xét Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giátrị càng lớn

* Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ khôngthay đổi và nếu áp suất cũng không thay đổi thì biến thiên entropi của quá trình là:

II Nội dung nguyên lý II nhiệt động học

“Trong bất cứ quá trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ vàmôi trường xung quanh phải tăng”

III Năng lượng tự do Gibbs

* Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổinhiệt và công với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi đểđánh giá chiều hướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trườngxung quanh Vì vậy, người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropicủa hệ để tìm điều kiện duy nhất xác định chiều diễn biến của các quá trình tự

phát Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa ra đại lượng mới là năng lượng tự doGibbs và được định nghĩa: G = H – TS.

* Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì:

(7)

Trong hệ thức này, ∆G, ∆H và ∆S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét

∆G gọi là biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn là biến thiên thếđẳng áp hoặc entanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánhgiá quá trình có xảy ra hay không?

Nếu ∆G < 0 thì quá trình tự xảy ra.

Nếu ∆G = 0 thì hệ ở trạng thái cân bằng.

Nếu ∆G > 0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự xảy

ra)

IV Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học

1 Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất (∆G o )

* Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất là biến thiên thế đẳng áp củaquá trình hình thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điềukiện tiêu chuẩn

* Chú ý: ∆Go của các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩnbằng không

(∆Go các chất có trong các tài liệu tra cứu)

2 Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học

(8)

∆ G = ∆ H –T ∆ S

∆ G = ∑∆G (sản phẩm) - ∑∆G (chất phản ứng)

∆ G = ∆ H – T ∆ S

Từ đó xác định được ∆Ho và ∆Go của các ion khác trong dung dịch.

• Người ta cũng thống nhất qui ước So(H+.aq) = 0 tại mọi nhiệt độ và từ đócũng lập được bảng So cho các ion khác trong dung dịch

d D

c C

a a

a a

.

.(10)

trong đó:

∆Go: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng

ai: Hoạt độ cấu tử i

- Nếu i là chất khí thì ai = Pi / Po (Po là áp suất tiêu chuẩn và bằng 1 atm)

- Nếu i là chất tan trong dung dịch thì ai = Ci / Co (Co là nồng độ tiêu chuẩn

và bằng 1M)

- Nếu i là dung môi hoặc chất rắn thì ai = 1

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì ∆G = 0, do đó:

∆Go = - RTln

CB

b B

a A

d D

c C

a a

a a

(11) (CB chỉ các cấu tử ở trạng thái cân bằng)

Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, ∆Go là một hằng

số nên từ (11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi

là hằng số cân bằng nhiệt động, ký hiệu là Ka

Ka =

CB

b B

a A

d D

c C

a a

a a

d D

c C

a a

a a

* Nếu Q < K a , phản ứng xảy ra theo chiều thuận

* Nếu Q > K a , phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

* Nếu Q = K a , phản ứng đang ở trạng thái cân bằng

II Các biểu thức tính hằng số cân bằng

1 Hằng số cân bằng theo áp suất (K p )

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:

aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)

Kp = b

B

a A

d D

c C

P P

P P

2 Hằng số cân bằng theo nồng độ mol (K C )

Xét phản ứng đồng thể (xảy ra trong dung dịch hay pha khí):

∆ G = RTln

a

K Q

aA + bB cC + dD

KC = [ ] [ ]

[ ] [ ]a b

d c

B A

D C

.

.

(16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB)

* Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì:

d D

c C

x x

x x

Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì:

(19) (P: Ấp suất chung của hệ)

KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy Kx không những phụ thuộcvào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào cả áp suất chung của hệ Chỉ trong trường hợp

∆n = 0, Kx = Kp, thì Kx mới không phụ thuộc vào áp suất chung của hệ

aOx1 + ne bKh1 K1 = 10 nE1o/0,059 X m

cKh2 - me dOx2 K2 = 10 – mE2 o/0,059 X n

maOx1 + ncKh2 mbKh1 + ndOx2 K = 10 mn(E1o-E2 o)/0,059

III Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ

Gọi K1, K2 là hằng số cân bằng của phản ứng ở T1K và T2K

Giả sử ∆Ho và ∆So của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì:

H

−

°

∆

IV Sự chuyển dịch cân bằng

1 Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng

Cân bằng hoá học là một cân bằng động, được đặc trưng bởi các giá trịhoàn toàn xác định của các thông số như nhiệt độ, nồng độ, áp suất của các cấu tửtrong hệ Nếu người ta thay đổi một hoặc nhiều thông số này thì trạng thái của hệ

bị thay đổi, cân bằng hoá học của hệ bị phá vỡ Sau một thời gian, hệ sẽ chuyểnđến trạng thái cân bằng mới Hiện tượng này gọi là sự chuyển dịch cân bằng

2 Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ các chất

Xét phản ứng đồng thể đang ở trạng thái cân bằng: aA + bB cC + dD

* Nếu tăng nồng độ chất phản ứng A, B hoặc giảm nồng độ chất tạo thành

C, D thì Q < K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

* Nếu giảm nồng độ chất phản ứng A, B hoặc tăng nồng độ chất tạo thành

C, D thì Q > K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch

Kết luận: Cân bằng chuyển dich theo chiều chống lại sự thay đổi nồng độ

các chất

3 Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất (nhiệt độ không thay đổi)

Ở đây ta chỉ xét sự thay đổi áp suất chung của cả hệ đến sự chuyển dịch cânbằng Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất riêng của từng cấu tử giống như ảnhhưởng của sự thay đổi nồng độ

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:

Khi P tăng thì Kx tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận hay làchiều có số phân tử khí ít hơn.

Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ ở trạng thái cân bằng, cân bằng sẽ chuyển

dịch về phía có số phân tử khí ít hơn và ngược lại

5 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Một phản ứng đang ở trạng thái cân bằng khi tác động các yếu tố bên ngoài( Nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại các tácđộng đó

PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG: