de tai nguyen ly 2 nhiet dong hoa hoc

Trang BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP Họ tên học viên: LÊ THỊ HỒNG GIAO NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH BÙI NGỌC QUÂN MÔN HỌC: HĨA LÝ VỚI GIẢNG DAY HĨA HỌC PHỔ THƠNG CHƯƠNG 3: TIÊU CHUẨN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ TỰ DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH Đồng Tháp, 2016 Trang CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trong trình giảng dạy trường phổ thơng nhiệm vụ phát triển tư cho học sinh nhiệm vụ quan trọng, đòi hỏi tiến hành đồng mơn, Hóa học mơn khoa học thực nghiệm đề cập đến nhiều vấn đề khoa học, góp phần rèn luyện tư cho học sinh góc độ đặc biệt qua phần tập hóa học Bài tập hóa học khơng có tác dụng rèn luyện kỹ vận dụng, đào sâu mở rộng kiến thức học cách sinh động, phong phú mà cịn thơng qua để ơn tập, rèn luyện số kỹ cần thiết hóa học, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thông minh sáng tạo cho học sinh, giúp học sinh hứng thú học tập Qua tập hóa học giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắm vững kiến thức kỹ hóa học học sinh Để giáo viên bồi dưỡng học sinh khá, giỏi trường dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh cấp Quốc gia tốt nhu cầu cấp thiết cần có hệ thống câu hỏi tập cho tất chuyên đề : cấu tạo chất, nhiệt hoá học, động hoá học, cân hoá học, Trong trình giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Tỉnh Quốc gia sưu tầm tập hợp lại số câu hỏi tập theo số chuyên đề, có phần dùng để luyện tập cho học sinh phần “Nhiệt hoá học” Từ lý chọn đề tài: “Nghiên cứu tiêu chuẩn cân tự diễn biến trình q trình hóa học bồi dưỡng học sinh giỏi trường THPT” 1.2 Lịch sử nghiên cứu Nghiên cứu chuyên đề: Nhiệt động học tác giả Ngô Xuân Quỳnh + Ưu điểm: Nêu sở lý thuyết nhiệt động học tập liên quan + Tồn tại: Cịn nói chung chung chưa sâu vào vấn đề cụ thể 1.3 Mục tiêu Xây dựng hệ thống câu hỏi tập phần “Nhiệt hoá học” dùng cho học sinh lớp chuyên Hố học bậc THPT giúp học trị học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học lý thuyết – tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập mơn Hóa học 1.4 Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung hệ thống lí thuyết sưu tầm tập có liên quan đến: Trang Nguyên lý Entropi (S) Thế đẳng áp (G) 1.5 Phạm vi nghiên cứu Đội tuyển dự thi học sinh giỏi trường 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu Thực nghiệm (giảng dạy), phương pháp CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT VÀ CƠ SỞ THỰC TIỄN 2.1 Cơ sở lý thuyết Nhiệt động hóa học khoa học nghiên cứu biến hoá dạng lượng thành dạng lượng khác thiết lập định luật biến hố Hiện nhiệt động hóa học nghiên cứu số lớn tượng hoá học kèm theo biến đổi lượng Những nghiên cứu phương pháp nhiệt động hóa học khơng cho phép đưa đến cân lượng mà xác định chiều hướng giới hạn mà q trình xảy điều kiện định Như nhiệt động học hóa cho phép điều khiển theo ý muốn q trình lý, hố học sản xuất Nhiệt động hoá học nghiên cứu biến hoá dạng lượng khác phản ứng hoá học, q trình hồ tan, bay hơi, kết tinh, hấp phụ.v.v Nhiệt động hoá học sử dụng quan điểm kết luận nhiệt động học lý học Trong nhiệt động hoá học người ta xét trạng thái đầu trạng thái cuối hệ hố học q trình biến hố chúng dự đoán biến thiên lượng trình độc lập với cách biến đổi tốc độ phản ứng chất sản phẩm trung gian tạo nên phản ứng Trong tự nhiên, q trình lý học hố học xảy theo chiều xác định: Nhiệt tự truyền từ vật nóng sang vật lạnh Khí tự truyền từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp Các phản ứng hố học tự xảy ra, ví dụ: Zn + HCl > ZnCl2 + H2 Cịn q trình ngược lại khơng tự xảy 2.2 Cơ sở thực tiễn Trang Trong năm qua, đề thi học sinh giỏi Quốc gia thường hay đề cập tới phần nhiệt động học nhiều góc độ khác Tuy nhiên, sách giáo khoa phổ thông, điều kiện giới hạn thời gian nên kiến thức đề cập đến cách sơ lược Qua thực tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm đă nghiên cứu, lựa chọn hệ thống kiến thức lí thuyết bản, trọng tâm; sưu tầm tập điển hình để soạn chuyên đề “tiêu chuẩn cân tự diễn biến q trình q trình hóa học” đề cập vấn đề nhiệt động học giúp cho học sinh hiểu sâu vận dụng tốt kiến thức học vào việc giải tập, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập mơn Hóa học Chương TIÊU CHUẨN VỀ CÂN BẰNG VÀ TỰ DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH 3.1 Nguyên lý nhiệt động hóa học: 3.1.1 Nội dung Cũng nguyên lý I, nguyên lý II nhiệt động lực học chấp nhận tiên đề, phát biểu nhiều dạng khác nhau, tất tương đương nhau, nghĩa chấp nhận cách làm khởi điểm từ rút cách logic tất cách khác - Nhiệt tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng - Khơng thể có q trình nhiệt lấy từ vật chuyển cơng mà khơng có đền bù - Khơng thể có động vĩnh cửu loại hai động sinh công từ nguồn nhiệt 3.1.2 Hệ thức định lượng - Trường hợp có nguồn nhiệt Từ biểu thức tính hiệu suất động nhiệt thuận nghịch chạy chu trình Carnot, ta có: T2 Q ' = T1 Q1 Từ biểu thức định nghĩa hiệu suất chu trình Carnot, ta được: Q1 − Q ' T1 − T2 ≤ Q1 T1 biểu thức định lượng nguyên lý thứ Ta thiết lập biểu thức tổng quát nguyên lý thứ 2: Trang T2 Q'2 ≤ T1 Q1 ta có Q2 = −Q2' suy Q1 Q2 + ≤ (*) T1 T2 - Trường hợp tổng quát: trình đẳng nhiệt tương ứng với nhiệt độ: T1, T2, Ti … nguồn nhiệt bên ứng với nhiệt lượng Q1, Q2, Qi … mà hệ nhận từ bên ngồi, từ biểu thức (*) ta có: Qi ∑T ≤ (**) i Nếu trình biến thiên liên tục, ta coi hệ tiếp xúc với vơ số nguồn nhiệt có nhiệt độ T vô gần biến thiên liên tục Mỗi trình tiếp xúc trình vi phân hệ nhận nhiệt δQ, biểu thức (**) thành: δQ ∫ ≤ (***) T dấu = ứng với chu trình thuận nghịch, dấu < ứng với chu trình khơng thuận nghịch Biểu thức (***) biểu thức tổng quát nguyên lý thứ 3.2 Entropi (S) 3.2.1 Khái niệm - Entropi thước đo độ hỗn độn hệ: Độ hỗn độn hệ hay chất lớn hệ hay chất gồm hạt dao động hạt mạnh (khi liên kết hạt yếu) - Trong biến đổi thuận nghịch vô nhỏ T = const hệ trao đổi với mơi trường lượng nhiệt δQTN biến thiên entropi trình là: dS = δQTN T S hàm trạng thái (J/mol.K) - Nếu biến đổi bất thuận nghịch dS > δQTN T - Vì hàm trạng thái nên chuyên từ trạng thái sang trạng thái biến δQTN T thiên thuận nghịch hay bất thuận nghịch S2 - S1 = ∆S = (∆STN = ∆SBTN) ∫ Trang 3.2.2 Sự biến thiên entropi theo nhiệt độ - Q trình P = const: Đun nóng chất ngun chất từ T → T2, khơng có chuyển pha: T2 ∆S = δQTN T T1 ∫ T2 ∆S = ∫ n.C P T1 Với δQ = δQP = dH = n.CP.dT dT T * Trong khoảng nhiệt độ hẹp, coi CP = const ⇒ ∆S = n.CP.ln - Quá trình: V = const ⇒ ∆S = n CV.ln T2 T1 T2 T1 3.2.3 Biến thiên entropi q trình giãn nở đẳng nhiệt khí lý tưởng Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V1 → V2 to = const Vì nội khí lí tưởng phụ thuộc nhiệt độ nên biến đổi này: Theo nguyên lý 1: ∆U = QTN + WTN = ( T = const => ∆U = 0) ⇒ QTN = - WTN = nRT ln T = const ⇒ ∆S = V2 V1 V2 P1 QTN = nRln = n.R.ln V1 P2 T Nếu P1> P2 > ∆S > : trình giãn nở tự diễn biến ==> Cách phát biểu khác nguyên lý II: Các chất khí tự chuyển dời từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp 3.2.4 Sự biến thiên entropi phản ứng hóa học + Khi phản ứng thực P = const, T = const thì: + Nếu điều kiện chuẩn 250C thì: ∆S = ΣS(sp) - ΣS(t/g) ∆S0298= ΣS0298(sp) - ΣS0298(t/g) + Vì S chất khí >> chất rắn, lỏng nên số mol khí sản phẩm (sp) > số mol khí tham gia ∆S > ngược lại Cịn trường hợp số mol khí vế phản ứng khơng có chất khí ∆S có giá trị nhỏ 3.2.5 Thế đẳng áp (G) chiều hướng trình Xét hệ xảy biến đổi P, T không đổi ∆G = ∆H – T ∆S Nếu ∆G < 0: trình tự xảy theo chiều thuận Trang Nếu ∆G = 0: trình đạt cân Nếu ∆G > 0: q trình khơng tự xảy theo chiều thuận TĨM LẠI : * Q trình đẳng áp: P = const T2 δQTN δQTN dS ≥ → ∆S ≥ ∫ T T ⇒ ∆STN = ∫ n.C P T1 Nếu C P = const → ∆STN = n C P ln dT T T2 T1 * Q trình đẳng tích: Q ∆S ≥ V = T T2 ∫ n.CV T1 ⇒ ∆S ≥ n CV ln T dT = ∫ n.CV d ln T T T1 T2 ( CV = const) T1 * Quá trình đẳng nhiệt: Q L L TN nc h ∆S TN = T = T = T nc S * Với q trình dãn nở khí lí tưởng thuận nghịch QTN ∆U − W T2 dT = ∫ n.CV + ∆S = T = T T T1 Nếu CV = const → ∆S = n CV ln Vì T = const → ∆S = nRT ln V2 nRT dV V V1 ∫ T2 V2 + nRT ln T1 V1 V2 P1 = nRT.ln V1 P2 2.2.6 Ý nghĩa vật lý entropi - Ý nghĩa nhiệt động sâu sắc entropi khám phá phân tích q trình khơng thuận nghịch Ý nghĩa biến thiên entropi độ đo tính khơng thuận nghịch q trình hệ cô lập đặc trưng cho chiều diễn biến trình tự nhiên - Quá trình tự nhiên diễn theo chiều từ trạng thái xác suất đến trạng thái có nhiều xác suất Trang Từ luận điểm đó, người ta suy ý nghĩa sâu sắc, ý nghĩa xác suất thống kê entropi: tính chất biến thiên chiều entropi hệ cô lập gắn liền với việc chuyển hệ từ trạng thái xác suất sang trạng thái nhiều xác suất 3.3 Bài tập Bài 1: Cho biết phn ng: C2H4(k) + H2O(h) số liệu sau: C2H5OH(h) C2H5OH C2H4(k) H2O(h) ∆G So, 298 (kJ / mol ) 168,6 68,12 - 228,59 o S 298 (kJ / mol ) 282,0 219,45 188,72 a/ Hỏi điều kiện chuẩn phản ứng điều kiện nào? b/ điều kiện chuẩn 25oC phản ứng theo chiều nào? o c/ Tính ∆H 298 phản ứng Phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt? Giải: a/ Điều kiện chuẩn: PC H (k ) = PH O ( h ) = PC H OH ( h ) = 1atm phản ứng thực 2 to, P không đổi b/ ∆Gop = ∆Go S,298(C2H5OHh) - ∆ GoS,298(C H 4k) - ∆Go S,298(H2Oh) = 168,6 - 68,12 + 228,59 = - 8,13 (kJ) = -8,13kJ < Ph¶n øng x¶y theo chiÒu thuËn o ∆ Gp (298) c/ o o o ∆S298,p = S298(C H OH) - S 298(C2H4) o - S298(H O) = 282 - 219,45 - 188,72 = - 126,17(J/K) ∆G = ∆ H - T ∆ S o o ∆H298,p = ∆ Go298,p + T ∆ S298,p o ∆H298,p Bµi 2: = -8,13 + 298(- 126,17 10-3) = - 45,72866(kJ) 0 đkc T = 373K Phản ứng tự diễn biến b/ Để phản ứng tự diễn biến nhiệt độ T(K) thì: GT0 < ↔T> Bµi 3: ↔ ∆H0 - T ∆S0 < ∆H 206,1.10 = = 959,71(K) 214,752 ∆S ( Trích đề thi HSG tỉnh Kiên Giang năm 2011) Cho Phản ứng: A(khí) + B(khí) ⇌ X(khí) Biết kiện thực nghiệm: Chất X(khí) A(khí) o -168,6 68,12 ∆G 298 o S 298 282,0 219,45 a/ Hãy cho biết điều kiện chuẩn phản ứng 25oC? B(khí) -228,59 188,72 b/ Ở điều kiện chuẩn, phản ứng xảy theo chiều nào? c/ Theo chiều thuận, phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt điều kiện 25 oC? Giải a/ Điều kiện chuẩn: PA = PB = PX = atm Nhiệt độ 25oC ( T = 298K) b/ ∆Gopứ = ∆GoX + [∆GoA + ∆GoB] = -8,13 kJ = -8130 J  Phản ứng xảy theo chiều thuận c/ ∆Hopứ = ∆Gopứ + T.∆Sopứ ∆Sopứ = SoX – (SoA + SoB) = -126,17 J.K ∆Hopứ = -8310 -126,17.298 = -45728,66 J ∆Hopứ < => Phản ứng tỏa nhiệt Bµi 4: ( Trích đề thi HSG tỉnh Kiên Giang năm 2012) Trang 10 Cho cân sau với kiện nhiệt động chất 250C: CO2 (k) + H2 (k) ⇌ CO(k) + H2O(h) Chất H2980 (kJ / mol) S 2980 (J K −1 mol−1 ) CO2 -393 213,6 H2 131,0 CO -110,5 197,9 H2 O -241,8 188,7 a/ Hãy tính Ho298, So298, Go298 phản ứng nhận xét phản ứng có tự xảy theo chiều thuận 250C hay không? b/ Giả sử Ho298 phản ứng khơng thay đổi theo nhiệt độ Hãy tính G o1273 phản ứng thuận 10000C nhận xét? Gi¶i: a/ CO2 (k) + H2 (k) ⇌ CO(k) + H2O(h) ∆Ho298 = [Ho298 (CO) + Ho298 (H2O)] – [Ho298 (CO2) + Ho298 (H2) = (-110,5 -241,8) – (-393) = 40,7 kJ/mol ∆So298 = [So298 (CO) + So298 (H2O)] – [So298 (CO2) + So298 (H2) = (197,9 + 188,7) – (213,6 + 131,0) = 42 J/mol ∆Go298 = ∆Ho298 - T.∆So = 40700 – 298 42 = 28184 J/mol b/ Vì Ho phản ứng khơng thay đổi theo nhiệt độ nên: ∆GT2 T2 = ∆GT1 T1 + ∆Ho( T2 - T1 ) = 1273[ 28184 1 + 40700( ) = -12766 J/mol 298 1273 298 Vì G01273 < nên phản ứng xảy theo chiều thuận 10000C 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 giá trị biến thiên entanpi chuẩn biến thiên entropi chuẩn 300K 1200K sau: T 300K o ∆H T -41,16 kJ/mol o ∆S T -42,40 J/K.mol Phản ứng (1) xảy theo chiều 300K 1200K? 1200K -32,93 kJ/mol -29,6 J/K.mol Giải Áp dụng công thức: ∆Go = ∆Ho - T.∆So + Ở 300K: ∆Go300 = - 41,16 – 300(- 42,4) = -28,44 kJ ∆Go300 < => phản ứng xảy theo chiều thuận 300K Trang 11 + Ở 1200K: ∆Go1200 = -32,93 – 1200(-29,6) = 2,59 kJ ∆Go1200 > => phản ứng xảy theo chiều nghịch 1200K Bài 6: Cho liệu sau 298K Chất ∆H S0 (kJ/molK) S0(J/molK) Cthan chì 0,00 5,696 Ckim cương 1,90 2,427 298K có phần nhỏ kim cương tồn với than chì khơng? Giải Ckim c ơng Cthan chì G0298 = ? Ho = ∆Ho than chì - ∆Ho kim cương = - 1,9 = -1,9 (kJ) ∆So = So than chì - Sokim cương = 5,696 - 2,427 = 3,269 (J/K) ⇒ ∆G298, pu = ∆Ho - T ∆So = -1900 - 298.3,269 = -2874,162(J) ∆Go < (Tuy nhiên ∆Go không âm) ⇒ Phản ứng tự xảy theo chiều thuận ⇒ không tồn lượng nhỏ kim cương với than chì Bài 7: Tính biến thiên entropi q trình đun nóng 0,5 mol H 2O từ - 0oC đến 500oC P = 1atm Biết nhiệt nóng chảy nước 273K = 6004J/mol; nhiệt bay nước 273K = 40660J/mol Nhiệt dung mol đẳng áp C Po nước đá nước lỏng 35,56 75,3J/molK; C Po nước (30,2 + 10-2T) J/molK Giải: o H2O(r) 223K ∆ S1 o o ∆S ∆ So3 ∆ So4 H2O(r) ∆ S2 H2O(l) H2O(l) H2O(h) H2O(h) 773K 373K 373K 273K 273K o o o o ∆ S = ∆ S1 + ∆ S2 + ∆ So3 + ∆ S4 + ∆ So5 373 773  273 dT Lnc dT Lh dT  + + ∫ C P (l ) + + ∫ C P(h)  = n  ∫ C P ( r ) T 273 273 T 373 373 T   223   =0,5 35,56 ln = 93,85(J/K) 273 6004 373 40660 773  + + 75,3 ln + +30,2 ln +10 −2 (773 − 373) 223 273 273 373 373  Trang 12 Bài 8: Tính biến thiên entropi trộn lẫn 200g nước 15 oC với 400g nước 60oC Biết hệ cô lập nhiệt dung mol nước lỏng 75,3 J/mol.K Giải: Gọi T nhiệt độ hệ sau pha trộn Do Q thu = Q toả nên: 200 400 C P (T – 288) = C P (333 – T) 18 18 ⇒T= T – 288 = 2.333 – 2T 318 200 dT 75,3 ∆S hệ = ∆S1 + ∆S2 = ∫ + 18 T 288 = 2.333 +288 = 318(K) 318 400 dT 75,3 18 T 333 ∫ 200 318 400 318 75,3 ln + 75,3 ln = 5,78 (J/K) > 18 288 18 333 ⇒ Quá trình san nhiệt độ tự xảy Bài 9: Tính biến thiên entropi ∆G hình thành mol hỗn hợp khí lí tưởng gồm 20% N2; 50%H2 30%NH3 theo thể tích Biết hỗn hợp khí tạo thành khuếch tán khí vào cách nối bình đựng khí thơng với Nhiệt độ áp suất khí lúc đầu đkc (273K, 1atm) Giải: Vì khí lí tưởng khuếch tán vào nên trình đẳng nhiệt Gọi thể tích mol hỗn hợp khí V ⇒ thể tích khí ban đầu (ở điều kiện) V N = 0,2V; V NH = 0,3V; VH = 0,5V Do %V = %n ⇒ n N = 0,2 mol; n H = 0,5 mol; n NH = 0,3mol 2 - Sự biến thiên entropi tính theo CT: ∆S = nRln ∆S N = 0,2 8,314.ln V = 2,676J/K 0,2V ∆S H = 0,5.8,314.ln V = 2,881J/K 0,5V ∆S NH = 0,3.8,314.ln V = 3,003J/K 0,3V V2 V1 Trang 13 ⇒ ∆S = ∆S N + ∆S H + ∆S NH = 8,56(J/K) 2 * Quá trình khuếch tán khí lí tưởng đẳng nhiệt nên ∆H = ⇒ ∆G 273 = ∆H – T ∆S = -273.8,56 = -2336,88(J) Bài 10: Trong phản ứng hóa học sau, phản ứng có ∆S > 0; ∆S < ∆S ≠ C(r) + CO2(k) → 2CO(k) (1) CO(k) + O2(k) → CO2(k) (2) H2(k) + Cl2(k) → 2HCl(k) (3) S(r) + O2(k) → SO2(k) (4) Giải: Phản ứng (1) có ∆n khí = -1 = > → ∆S > Phản ứng (2) có ∆n khí = -1- < → ∆S