SKKN Bài toán nhiệt hóa học – cân bằng hóa học

Với ý định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm SKKN này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về bài toán nhiệt h

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:

"BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC – CÂN BẰNG HÓA HỌC"

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I LỜI MỞ ĐẦU:

Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên là làm sao có thểphát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tư duy một cách tốt nhấtđặc biệt là trong bộ môn hóa học ( môn học nghiên cứu và sáng tạo) Việc vận dụng cáckiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quá trình rất tốt để học sinh có thể pháttriển tư duy cho học sinh

Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự học, tự sáng tạo của học sinh thì giáoviên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp cácbài tập phù hợp với mức độ yêu cầu của các kỳ thi Trong quá trình giảng dạy đặc biệt làdạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng cómột số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâu kiến thức hơn thì hình như học sinh không

có tài liệu và việc tự học sinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức nhưvậy là rất khó.Vì vậy thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thứcthêm cho học sinh cũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho họcsinh Với ý định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống

về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp

về bài toán nhiệt hóa học- cân bằng hóa học Dĩ nhiên phương pháp này nó là sự kết hợpgiữa lý thuyết mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổ thông

II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:

* Thực trạng :

Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổ thông đặc biệt làtrong các kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên Vấn đề đặt ra là khi gặp một bài toán ởdạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình cơ bản ( Bài toán nhiệt động vàcân bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và thường không làm được

Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảng dạy thêmcho học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bài tập liên quan chohọc sinh đặc biệt là những kiến thức nâng cao nhằm phục vụ cho 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 để đưa ra nhữngcách giải hợp lý không không giải được Từ đó ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu các kiếnthức mới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinh còn nhiều hạn chế và chưaphù hợp với mức độ của các kỳ thi

Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói quenkhi gặp các vấn đề mới mà trong chương trình phổ thông còn hạn chế thì giáo viên phải

là người đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tự học kiến thức mới và đưa racác 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 phần kiến thức vàmột số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi Nội dung được thiết lập và được sửdụng có hiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở rộng thông qua nội dung kiếnthức, sự tích lũy thành những kiến thức căn bản nhất cho học sinh 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 ứng tạothành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

* Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆Ho của đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiệntiêu 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 trị bằng nhaunhưng 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 ở điều kiện tiêuchuẩn

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 đầu của các chấtphản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai đoạntrung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từ trạng 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 nhiệt của phảnứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế Nhiệt lượng kế được bốtrí sao cho không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh Nó gồm một thùng lớnđựng nước, trong đó nhúng ngập một bom nhiệt lượng kế, đây là nơi thực hiện phản ứnghoá học Trong thùng còn đặt một nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và mộtque khuấy để để duy trì cân bằng nhiệt 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 làmtăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2 Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q nhưsau:

(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 các quátrình đã cho bằng các cách sau:

Q = C(T 2 – T 1 )

(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 phẩm trừ tổngsinh 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 gia trừ tổngthiêu 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 cácliên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liênkết trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng)

B Nguyên lý I nhiệt động học

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 thể chuyển từdạng 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, bao gồm: nănglượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử, năng lượng liênkết, năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử …

* Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác định được

sự biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Giả sử ởtrạng thái đầu 1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W và chuyển thànhtrạng thái 2 thì biến thiên nội năng của hệ là: ∆U = Q + W (Qui ước hệ nhận nhiệt thì

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

III Quan hệ giữa Q P và Q V

Ta có:

QP = ∆U + P.∆V

QP = ∆U + P.(V2 – V1)

QP = ∆U + (n2RT – n1RT)

∆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 các phản ứng hoáhọc được coi bằng không Vì vậy, khi xét công cơ học ta chỉ chú ý đến biến thiên thể tíchcủa 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, khi đó:

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

Q P = Q V + ∆ nRT

I Khái niệm entropi

* Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử của

hệ cần xét Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giá trị càng lớn

* Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ không thayđổi 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 và môitrường 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 đổi nhiệt vàcông với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để đánh giá chiềuhướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường xung quanh Vì vậy,người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi của hệ để tìm điều kiện duynhất xác định chiều diễn biến của các quá trình tự phát Năm 1875, nhà vật lý người Mỹđưa ra đại lượng mới là năng lượng tự do Gibbs 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 thế đẳng áphoặc entanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánh giá quá trình cóxảy 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 của quá trìnhhình thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn

∆ G = ∆ H –T ∆ S

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

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

2 Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học

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 đó cũng lậpđược bảng So cho các ion khác trong dung dịch

d D

c C

a a

a a

.

.

(10)trong đó:

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

∆ G = ∆ H – T ∆ S

∆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

Đặt Q = b

B

a A

d D

c C

a a

a a

.

.

(13) (Q được gọi là hàm hoạt độ hay thương số phản ứng)

Do đó:

* 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):

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:

(17) (∆n = (c + d) – (a + b); R = 0,082)

K P = K C (RT) ∆ n

d D

c C

x x

x x

(19) (P: Ấp suất chung của hệ)

KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy Kx không những phụ thuộc vàonhiệt 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:

⇒ (21) (Công thức Van’t Hoff)

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 trị hoàn toànxác định của các thông số như nhiệt độ, nồng độ, áp suất của các cấu tử trong hệ Nếungười ta thay đổi một hoặc nhiều thông số này thì trạng thái của hệ bị thay đổi, cân bằnghoá học của hệ bị phá vỡ Sau một thời gian, hệ sẽ chuyển đến 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 cân bằng.Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất riêng của từng cấu tử giống như ảnh hưởng của sựthay đổi nồng độ

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:

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

Khi T tăng thì lnK giảm, tức là K giảm, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiềunghịch, tức là chiều thu nhiệt.

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 tác động đó

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

* Một số bài tập nhiệt hóa học: