de tai nguyen ly 2 nhiet dong hoa hoc

Đồng Tháp, 2016CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông nhiệm vụ phát triển tư duy cho học sinh là nhiệm vụ rất quan trọng, đòi hỏi tiến hành đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP

Họ và tên học viên:

LÊ THỊ HỒNG GIAO NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

BÙI NGỌC QUÂN

MÔN HỌC: HÓA LÝ VỚI GIẢNG DAY HÓA HỌC

PHỔ THÔNG CHƯƠNG 3: TIÊU CHUẨN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ TỰ

DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH

Đồng Tháp, 2016

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông nhiệm vụ phát triển tư duy cho học sinh là nhiệm vụ rất quan trọng, đòi hỏi tiến hành đồng bộ ở các môn, trong đó Hóa học là môn khoa học thực nghiệm đề cập đến nhiều vấn đề của khoa học, sẽ góp phần rèn luyện tư duy cho học sinh ở mọi góc độ đặc biệt là qua phần bài tập hóa học Bài tập hóa học không những có tác dụng rèn luyện kỹ năng vận dụng, đào sâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú mà còn thông qua đó để ôn tập, rèn luyện một số kỹ năng cần thiết về hóa học, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thông minh sáng tạo cho học sinh, giúp học sinh hứng thú trong học tập Qua bài tập hóa học giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắm vững kiến thức và kỹ năng hóa học của học sinh

Để giáo viên bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở trường dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh

và cấp Quốc gia được tốt thì nhu cầu cấp thiết là cần có một hệ thống câu hỏi và bài tập cho tất cả các chuyên đề như : cấu tạo chất, nhiệt hoá học, động hoá học, cân bằng hoá học,

Trong quá trình giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Tỉnh và Quốc gia tôi đã sưu tầm

và tập hợp lại một số câu hỏi và bài tập theo một số chuyên đề, trong đó có phần dùng

để luyện tập cho học sinh phần “Nhiệt hoá học”

Từ những lý do trên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tiêu chuẩn về cân bằng và tự diễn biến quá trình của quá trình hóa học trong bồi dưỡng học sinh giỏi ở trường THPT”

1.2 Lịch sử nghiên cứu

Nghiên cứu chuyên đề: Nhiệt động học của tác giả Ngô Xuân Quỳnh

+ Ưu điểm: Nêu được cơ sở lý thuyết về nhiệt động học và bài tập liên quan + Tồn tại: Còn nói chung chung chưa đi sâu vào từng vấn đề cụ thể

1.3 Mục tiêu

Xây dựng được hệ thống câu hỏi và bài tập phần “Nhiệt hoá học” dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học ở bậc THPT giúp học trò học tốt hơn và chuẩn bị tốt hơn cho các kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cả về lý thuyết – bài tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học

1.4 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài tập trung hệ thống lí thuyết và sưu tầm các bài tập có liên quan đến:

Nguyên lý 2

Entropi (S)

Thế đẳng áp (G)

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Đội tuyển dự thi học sinh giỏi của trường

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu

Thực nghiệm (giảng dạy), đây là phương pháp chính

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN 2.1 Cơ sở lý thuyết

Nhiệt động hóa học là một khoa học nghiên cứu về sự biến hoá dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác và thiết lập các định luật của sự biến hoá đó Hiện nay nhiệt động hóa học nghiên cứu một số lớn những hiện tượng hoá học kèm theo sự biến đổi năng lượng Những nghiên cứu bằng phương pháp nhiệt động hóa học không những chỉ cho phép đưa đến sự cân bằng của năng lượng mà còn xác định chiều hướng

và giới hạn mà một quá trình có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định Như vậy nhiệt động học hóa cho phép điều khiển theo ý muốn những quá trình lý, hoá học trong sản xuất

Nhiệt động hoá học nghiên cứu sự biến hoá của các dạng năng lượng khác nhau trong phản ứng hoá học, các quá trình hoà tan, bay hơi, kết tinh, hấp phụ.v.v

Nhiệt động hoá học sử dụng các quan điểm và các kết luận của nhiệt động học lý học Trong nhiệt động hoá học người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của các hệ hoá học ở trong quá trình biến hoá của chúng và dự đoán biến thiên năng lượng của những quá trình độc lập với cách biến đổi tốc độ phản ứng và bản chất của những sản phẩm trung gian được tạo nên trong phản ứng

Trong tự nhiên, các quá trình lý học và hoá học xảy ra theo chiều xác định:

Nhiệt tự truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn

Khí tự truyền từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp

Các phản ứng hoá học tự xảy ra, ví dụ: Zn + HCl > ZnCl2 + H2

Còn các quá trình ngược lại thì không tự xảy ra được

2.2 Cơ sở thực tiễn

Trong những năm qua, đề thi học sinh giỏi Quốc gia thường hay đề cập tới phần nhiệt động học dưới nhiều góc độ khác nhau Tuy nhiên, trong sách giáo khoa phổ thông, do điều kiện giới hạn về thời gian nên những kiến thức trên chỉ được đề cập đến một cách sơ lược Qua thực tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm tôi đă nghiên cứu, lựa chọn và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm;

sưu tầm những bài tập điển hình để soạn chuyên đề “tiêu chuẩn về cân bằng và tự

diễn biến quá trình của quá trình hóa học” đề cập về vấn đề nhiệt động học giúp

cho học sinh hiểu sâu và vận dụng được tốt những kiến thức đó học vào việc giải các bài tập, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học

Chương 3 TIÊU CHUẨN VỀ CÂN BẰNG VÀ TỰ DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH 3.1 Nguyên lý 2 của nhiệt động hóa học:

3.1.1 Nội dung

Cũng như nguyên lý I, nguyên lý II của nhiệt động lực học được chấp nhận như một tiên đề, và có thể phát biểu dưới nhiều dạng khác nhau, tất cả đều tương đương nhau, nghĩa là nếu chấp nhận một cách nào đó làm khởi điểm thì từ đó có thể rút ra một cách logic tất cả các cách khác

- Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn

- Không thể có quá trình trong đó nhiệt lấy từ một vật được chuyển ra công mà không có đền bù

- Không thể có động cơ vĩnh cửu loại hai là động cơ sinh công từ một nguồn nhiệt

3.1.2 Hệ thức định lượng

- Trường hợp có 2 nguồn nhiệt

Từ biểu thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch chạy chu trình Carnot, ta có:

1

2 ' 1

2

Q

Q T

T



Từ biểu thức định nghĩa hiệu suất và của chu trình Carnot, ta được:

1

2 1 1

2

' 1

T

T T Q

Q





là biểu thức định lượng của nguyên lý thứ 2

Ta thiết lập biểu thức tổng quát của nguyên lý thứ 2:

1

2 ' 1

2

Q

Q T

T



2

2 Q

Q  

2

2 1

1





T

Q T

Q

(*)

- Trường hợp tổng quát: các quá trình đẳng nhiệt lần lượt tương ứng với nhiệt độ:

T1, T2, Ti … của nguồn nhiệt bên ngoài và ứng với nhiệt lượng Q1, Q2, Qi … mà

hệ nhận được từ bên ngoài, từ biểu thức (*) ta có:

0





i

i T

Q

(**)

Nếu trong một quá trình biến thiên liên tục, ta có thể coi hệ tiếp xúc với lần lượt vô

số nguồn nhiệt có nhiệt độ T vô cùng gần nhau và biến thiên liên tục Mỗi quá trình tiếp xúc là một quá trình vi phân trong đó hệ nhận được nhiệt δQ, biểu thức Q, biểu thức (**) thành:

0



T Q (***) dấu = ứng với chu trình thuận nghịch, dấu < ứng với chu trình không thuận nghịch Biểu thức (***) là biểu thức tổng quát của nguyên lý thứ 2

3.2 Entropi (S)

3.2.1 Khái niệm

- Entropi là thước đo độ hỗn độn của hệ: Độ hỗn độn của 1 hệ hay 1 chất càng lớn khi hệ hay chất đó gồm những hạt và sự dao động của các hạt càng mạnh (khi liên kết giữa các hạt càng yếu)

- Trong sự biến đổi thuận nghịch vô cùng nhỏ ở T = const hệ trao đổi với môi trường một lượng nhiệt QTN thì sự biến thiên entropi trong quá trình này là:

dS =

T

Q TN



S là hàm trạng thái (J/mol.K)

- Nếu sự biến đổi là bất thuận nghịch thì dS >

T

Q TN



- Vì là hàm trạng thái nên khi chuyên từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng biến thiên thuận nghịch hay bất thuận nghịch thì S2 - S1 = S = 

2

1 T

Q TN

 (STN = SBTN)

3.2.2 Sự biến thiên entropi theo nhiệt độ

- Quá trình P = const: Đun nóng 1 chất nguyên chất từ T1  T2, không có sự chuyển pha:

S = 

2

1

T

T

TN

T

Q



Với Q = QP = dH = n.CP.dT

S = n C dT T

T

T

P

2

1



* Trong khoảng nhiệt độ hẹp, coi CP = const  S = n.CP.ln

1

2

T T

- Quá trình: V = const  S = n CV.ln

1

2

T T

3.2.3 Biến thiên entropi của quá trình giãn nở đẳng nhiệt khí lý tưởng

Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V1  V2 ở to = const Vì nội năng của khí

lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên trong sự biến đổi này:

Theo nguyên lý 1: U = QTN + WTN = 0 ( vì T = const => U = 0)

 QTN = - WTN = nRT ln

1

2

V

V

T = const  S =

T

Q TN

= nRln

1

2

V

V

= n.R.ln

2

1

P P

Nếu P1> P2 > S  0 : quá trình giãn nở này tự diễn biến

==> Cách phát biểu khác của nguyên lý II: Các chất khí có thể tự chuyển dời từ nơi

có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp

3.2.4 Sự biến thiên entropi trong phản ứng hóa học

+ Khi phản ứng thực hiện ở P = const, T = const thì: S = S(sp) - S(t/g) + Nếu ở điều kiện chuẩn và 250C thì: S0 298= S 0 298(sp) - S 0 298(t/g)

+ Vì S của chất khí >> chất rắn, lỏng nên nếu số mol khí sản phẩm (sp) > số mol khí tham gia thì S > 0 và ngược lại Còn trong trường hợp số mol khí ở 2 vế bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí thì S có giá trị nhỏ

3.2.5 Thế đẳng áp (G) và chiều hướng của quá trình

Xét hệ xảy ra sự biến đổi ở P, T đều không đổi

G = H – T S

Nếu G < 0: quá trình tự xảy ra theo chiều thuận

Nếu G = 0: quá trình đạt cân bằng

Nếu G > 0: quá trình không tự xảy ra theo chiều thuận

TÓM LẠI :

* Quá trình đẳng áp: P = const

dS ≥

T

Q TN

  S ≥ 

2

1 T

Q TN



 STN = n C dT T

T

T

P

2

1



Nếu C P = const  STN = n C P ln

1

2

T T

* Quá trình đẳng tích:

S ≥

T

Q V

= n C dT T 

T

T

V

2

1

T d C n

T

T

V ln

2

1

 S ≥ n C V ln

1

2

T

T

(C V = const)

* Quá trình đẳng nhiệt:

S TN =

nc

nc TN T

L T

Q

 hoặc =

S

h T L

* Với quá trình dãn nở khí lí tưởng thuận nghịch

T

W U T

Q TN



n C V dT T T

T

2

1

dV V

nRT

V

V

2

1

Nếu CV = const  S = n

1

2

ln

T

T

C V + nRT ln

1

2

V V

Vì T = const  S = nRT ln

1

2

V

V

= nRT.ln

2

1

P P

2.2.6 Ý nghĩa vật lý của entropi

- Ý nghĩa nhiệt động sâu sắc nhất của entropi đã được khám phá ra khi phân tích

những quá trình không thuận nghịch Ý nghĩa đó là biến thiên entropi là độ đo tính không thuận nghịch của quá trình trong những hệ cô lập và đặc trưng cho chiều diễn biến của những quá trình tự nhiên.

- Quá trình tự nhiên diễn ra theo chiều từ trạng thái kém xác suất đến trạng thái có

nhiều xác suất hơn

Từ những luận điểm đó, người ta suy ra một ý nghĩa sâu sắc, ý nghĩa xác suất

thống kê của entropi: tính chất biến thiên một chiều của entropi trong hệ cô lập gắn liền với việc chuyển hệ từ trạng thái ít xác suất sang trạng thái nhiều xác suất hơn.

3.3 Bài tập

Bài 1: Cho biết phản ứng:

C2H4(k) + H2O(h) C2H5OH(h)

và các số liệu sau:

C2H5OH C2H4(k) H2O(h)

G o,298(kJ /mol)

S

 168,6 68,12 - 228,59

S298o (kJ/mol) 282,0 219,45 188,72

a/ Hỏi điều kiện chuẩn của phản ứng này là điều kiện như thế nào?

b/ ở điều kiện chuẩn và 25oC phản ứng đi theo chiều nào?

c/ Tớnh H298o của phản ứng Phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt?

Giải:

a/ Điều kiện chuẩn: P C2H4(k)= P H2O(h)= P C2H5OH(h)= 1atm và phản ứng được thực hiện ở to, P khụng đổi

b/



Gp o = Go - Go - Go

S,298(C2H5OHh) S,298(C2H4k) S,298(H2Oh)

= 168,6 - 68,12 + 228,59 = - 8,13 (kJ)

Gop (298) = -8,13kJ < 0 Phản ứng xảy ra theo chiều thuận





c/

o

S298,p = So - So - S298(Ho

2 O) 298(C2H4)

298(C2H5OH)

= 282 - 219,45 - 188,72 = - 126,17(J/K)

G = H - T S

H298,p = G298,p + T S298,p

= -8,13 + 298(- 126,17 10-3) = - 45,72866(kJ)

H298,p < 0 phản ứng toả nhiệt



o

o

Bài 2: Tính G2730 của phản ứng: CH4(k) + H2O (k)  CO(k) + 3H2(k)

Biết: CH4(k) H2O (k) CO(k) H2(k)

H S0, 298(kJ/mol) - 74,8 - 241,8 -110,5 0

0

298

S (J/molK) 186,2 188,7 197,6 130,684

a/ Từ giá trị G0 tìm đợc có thể kết luận gì về khả năng tự diễn biến của khả năng phản ứng ở 373oK?

b/ Tại nhiệt độ nào thì phản ứng đã cho tự xảy ra ở điều kiện chuẩn?

(Coi H0, S0 không phụ thuộc T)

Giải:

a/ H pu0 = 3.0 + 1(-110,5) -(-74,8) -(-241,8) = 206,1(kJ)

0

pu

S

 = 3.(130,684) + 197,6 - 188,7 - 186,2 = 214,752 (J/K)

Do H0, S0 không phụ thuộc vào T nên:

273

G

 = H0 - T S0 = 206,1 = 373.214,752.10-3 =125,9975(kJ) > 0

 ở đkc và T = 373K  Phản ứng không thể tự diễn biến

b/ Để phản ứng tự diễn biến ở nhiệt độ T(K) thì: 0

T G

 < 0  H0 - T S0 < 0

 T > 0

0

S

H





=

752 , 214

10 1 ,

206 3

=

959,71(K)

Bài 3: ( Trớch đề thi HSG tỉnh Kiờn Giang năm 2011)

Cho Phản ứng: A(khớ) + B(khớ) ⇌ X(khớ)

Biết cỏc dữ kiện thực nghiệm:

Go

So

a/ Hóy cho biết điều kiện chuẩn của phản ứng ở 25oC?

b/ Ở điều kiện chuẩn, phản ứng xảy ra theo chiều nào?

c/ Theo chiều thuận, phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt ở điều kiện 25oC?

Giải

a/ Điều kiện chuẩn: PA = PB = PX = 1 atm

Nhiệt độ 25oC ( T = 298K)

b/ Go pứ = G o X + [G o A + G o B] = -8,13 kJ = -8130 J

 Phản ứng xảy ra theo chiều thuận

c/ Ho pứ = G o pứ + T.S o

pứ

So pứ = S o X – (S o A + S o B) = -126,17 J.K

- Ho pứ = -8310 -126,17.298 = -45728,66 J

Ho pứ < 0 => Phản ứng tỏa nhiệt

Bài 4: ( Trớch đề thi HSG tỉnh Kiờn Giang năm 2012)

Cho cõn bằng sau với cỏc dữ kiện nhiệt động của cỏc chất ở 250C:

CO2 (k) + H2 (k) ⇌ CO(k) + H2O(h)

S 2980 (J K −1 mol−1 ) 213,6 131,0 197,9 188,7

a/ Hãy tính Ho

298, So

298, Go 298 của phản ứng và nhận xét phản ứng có tự xảy ra theo chiều thuận ở 250C hay không?

b/ Giả sử Ho 298 của phản ứng không thay đổi theo nhiệt độ Hãy tính G o 1273 của phản ứng thuận ở 10000C và nhận xét?

Gi¶i:

a/ CO2 (k) + H2 (k) ⇌ CO(k) + H2O(h)

Ho298 = [H o 298 (CO) + H o 298 (H2O)] – [H o 298 (CO2) + H o 298 (H2)

= (-110,5 -241,8) – (-393) = 40,7 kJ/mol

So298 = [S o 298 (CO) + S o 298 (H2O)] – [S o 298 (CO2) + S o 298 (H2)

= (197,9 + 188,7) – (213,6 + 131,0) = 42 J/mol

Go

298 = Ho 298 - T.S o = 40700 – 298 42 = 28184 J/mol

b/ Vì Ho của phản ứng không thay đổi theo nhiệt độ nên:

2

2

T

G T



= 11

T

G T



+ ∆Ho( 12

T - 11

T ) = 1273[

298

28184

+ 40700(

1273

1

-

298

1

) = -12766 J/mol

Vì G0 1273 < 0 nên phản ứng xảy ra theo chiều thuận ở 1000 0C

Bµi 5: ( Trích đề thi chọn HSGQG tỉnh Kiên Giang năm 2016)

Cho phản ứng: CO(k) + H2O(h) ⇌ CO2(k) + H2(k) (1)

Biết những giá trị biến thiên entanpi chuẩn và biến thiên entropi chuẩn ở 300K và 1200K như sau:

∆Ho

∆So

Phản ứng (1) xảy ra theo chiều nào ở 300K và 1200K?

Giải

Áp dụng công thức: Go = Ho - T.So

+ Ở 300K: Go 300 = - 41,16 – 300(- 42,4) = -28,44 kJ

Go 300 < 0 => phản ứng xảy ra theo chiều thuận ở 300K

+ Ở 1200K: Go 1200 = -32,93 – 1200(-29,6) = 2,59 kJ

Go 1200 > 0 => phản ứng xảy ra theo chiều nghịch ở 1200K

Bài 6:

Cho các dữ liệu sau đây ở 298K Chất 0

S H

 (kJ/molK) S0(J/molK) Cthan chì 0,00 5,696

Ckim cương 1,90 2,427

ở 298K có thể có một phần rất nhỏ kim cương cùng tồn tại với than chì được không?

Giải

Ckim c ¬ng Cthan ch× G

0 = ?

298



Ho = Ho than chì - Ho kim cương = 0 - 1,9 = -1,9 (kJ)

So = So than chì - So kim cương = 5,696 - 2,427 = 3,269 (J/K)

,

298 pu

G

 = Ho - T So = -1900 - 298.3,269 = -2874,162(J)

Go < 0 (Tuy nhiên Go không quá âm)

 Phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận  không tồn tại một lượng nhỏ kim cương cùng với than chì

Bài 7:

Tính sự biến thiên entropi của quá trình đun nóng 0,5 mol H2O từ - 0oC đến

500oC ở P = 1atm Biết nhiệt nóng chảy của nước ở 273K = 6004J/mol; nhiệt bay hơi của nước ở 273K = 40660J/mol Nhiệt dung mol đẳng áp o

P

C của nước đá và nước lỏng lần lượt bằng 35,56 và 75,3J/molK; o

P

C của hơi nước là (30,2 + 10-2T) J/molK

Giải:

H2O(r) HS1 2O(r) HS2 2O(l) HS3 2O(l) HS4 2O(h) HS5 2O(h)

773K

373K 373K

273K 273K

223K

S2 S3 S4 S5

= + + + +

S

 o So1



















273

223

373 273

773 373

) ( )

)

373

273

.

T

dT C

L T

dT C

L T

dT

l P

nc r

P

373

773 ln 2 , 30 373

40660 273

373 ln 3 , 75 273

6004 223

273 ln

56

,

= 93,85(J/K)

Bài 8:

Tính sự biến thiên entropi khi trộn lẫn 200g nước ở 15oC với 400g nước ở 60oC Biết rằng hệ là cô lập và nhiệt dung mol của nước lỏng là 75,3 J/mol.K

Giải:

Gọi T là nhiệt độ của hệ sau khi pha trộn

Do Q thu = Q toả nên: