NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC DÀNH CHO HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, QUỐC TẾ

chuyền đề nhiệt động học dành cho học sinh giỏi quốc gia, quốc tế. Tài liệu bao gồm các bài tập nhiệt động học được chia thành các dạng bài cụ thể của các kì thi học sinh giỏi quốc gia Việt Nam và các nước khác, ICHO được sắp xếp từ dễ đến khó.

NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC I Một số định nghĩa khái niệm Hệ phần vũ trụ có giới hạn xác định khảo sát phương diện trao đổi lượng vật chất Phần cịn lại vũ trụ mơi trường ngồi hệ Hệ trao đổi nhiệt, cơng, vật chất với mơi trường ngồi Có ba loại hệ: - Hệ hở (hệ mở): hệ trao đổi lượng lẫn vật chất với mơi trường ngồi Thí dụ: đun sơi ấm nước, nhiệt cung cấp vào hệ, hệ vật chất môi trường ngồi dạng nước - Hệ kín (hệ đóng): hệ trao đổi với mơi trường ngồi lượng khơng trao đổi vật chất Thí dụ: hệ gồm hóa chất cho phản ứng ống thủy tinh hàn kín Hệ khơng vật chất nhận nhiệt vào (nếu phản ứng thu nhiệt) cung cấp nhiệt (nếu phản ứng tỏa nhiệt) - Hệ cô lập: hệ không trao đổi lượng lẫn vật chất với mơi trường ngồi Thí dụ: bình Dewar chứa hóa chất đậy kín bao phủ lớp cách nhiệt thật dày vật chất nhiệt lượng trao đổi với mơi trường ngồi Trạng thái từ nói lên đặc điểm hệ khảo sát Một hệ có trạng thái xác định biến số xác định đại lượng hệ biết cách xác nhiệt độ, thể tích, áp suất, khối lượng riêng đại lượng gọi biến số trạng thái hệ Trạng thái hệ thay đổi có biến số trạng thái thay đổi Phương trình trạng thái phương trình mơ tả mối liên hệ thơng số trạng thái • Phương trình trạng thái khí lý tưởng: ▪ PV = nRT Nhiệt độ, áp suất, thể tích, số mol… (T, P, V, n, ) xác định trạng thái vĩ mô gọi thông số trạng thái Hàm trạng thái hàm số thông số trạng thái, Biến thiên hàm trạng thái phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối, không phụ thuộc vào đường Quá trình đường mà hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác có biến đổi TSTT Phân loại: – Quá trình thuận nghịch (th): • Xảy chiều • Cùng đường • Khơng gây biến đổi mơi trường xung quanh • Cơng: Atn = Amax • Quá trình lý thuyết – Quá trình bất thuận nghịch (btn): • Xảy chiều • Nhiều đường • Gây biến đổi môi trường xung quanh • Cơng: Abtn < Amax • Q trình thực Điều kiện chuẩn • Áp suất : atm • Nhiệt độ : 25°C (298K) • Chất tham gia phản ứng: – Chất rắn: • Nguyên chất, bền 25°C, 1atm – Chất dung dịch: • C=1 mol/L (M) II Nhiệt động học Nội Nội chất lượng toàn phần (động + phân tử) tạo nên chất BÀI TẬP I Nguyên lí I Bài 1: (HSGQG 2015 V1-N1- câu 2) Đốt cháy hoàn toàn 3,6 gam hợp chất hữu X thể khí lượng dư oxi bom nhiệt lượng kế Ban đầu, nhiệt lượng kế chứa 600 gam nước, 25oC Sau phản ứng, nhiệt độ hệ 28 oC; có 11 gam CO2(k) 5,4 gam H2O(l) tạo thành Giả thiết, lượng nhiệt bị hấp thụ oxi dư sản phẩm phản ứng không đáng kể Xác định công thức phân tử X Xác định nhiệt dung nhiệt lượng kế (không bao gồm 600 gam nước) Xác định nhiệt sinh tiêu chuẩn X (∆H s ,298 ) Cho biết: CO2(k) H2O(l) -393,51 -285,83 kJ∙mol-1; ∆H s0,298 Nhiệt dung riêng nước 4,184 J∙g-1∙K-1; Biến thiên nội phản ứng đốt cháy mol X 25oC, mX = 3,6 g; ⇒ nCO2 = 0,25 (mol); mH + mC = mX ⇒ nH 2O ∆U Hướng dẫn chấm = 0,3 (mol) X hiđrocacbon ⇒ nC : nH = : 12 Vậy công thức phân tử hợp chất hữu X C5H12 Nhiệt dung nhiệt lượng kế: = -2070,00.3,6/72 = -103,5 (kJ) = -103500 (J) ∆U = QV ⇒ Q p / u T2 = -Chệ (T2 –T1) = − ∫ Chê dT T1 ⇒ ⇒ Chệ = 103500 = 34500 (J·K-1) = Cnước + C nhiệt lượng kế C nhiệt lượng kế = 34500 – 4,184.600 = 31989,6 (J·K-1) Nhiệt sinh tiêu chuẩn A: 298 = -2070,00 kJ∙mol-1 C5H12(k) + 8O2(k) t0 5CO2(k) + 6H2O(l) → ∆H p0 / u 298 = ∆U 298 ⇒ ∆H s ,298 +∆nRT = -2070.103 + (5-9).8,314.298 = -2079910,288 (J∙mol-1) = -2079,910 (kJ∙mol-1) A = (-393,51) + 6.(-285,83) – (-2079,910) = -1602,62 (kJ∙mol-1) Bài 2: Khi đốt cháy 3,90 gam benzen 250C, 1atm với lượng oxi dư tạo sản phẩm CO2(k) H2O(l), toả nhiệt lượng 163,40 kJ a Tính nhiệt toả đốt cháy hoàn toàn 7,80 gam benzen oxi dư, sinh sản phẩm CO2(k) H2O(l) bom nhiệt lượng kế 25oC b Tính nhiệt độ lửa đốt cháy hoàn toàn mol benzen 1,0 atm 25 C khơng khí (chứa 20% oxi 80% nitơ thể tích) Cho: Cop(CO2,k) = 26,80 + 42,3.10-3T (J/mol.K); Cop(N2,k) = 27,10 + 6,00.10-3T (J/mol.K); ∆Ho373K, bay (H2O,l) = 40,66 kJ/mol; Cop(H2O,l) = 75,3 J/mol.K; Cop(H2O,k) = 30,2 + 1,00.10-2T (J/mol.K); Mbenzen = 78 g/mol Hướng dẫn a Phương trình phản ứng: C6H6(h) + 7,5O2(k) → 6CO2(k) + 3H2O(l) Phản ứng xảy bom nhiệt lượng kế phản ứng xảy điều kiện đẳng tích, nên hiệu ứng nhiệt đẳng tích phản ứng 298K đốt cháy mol benzen Qv = ∆U = ∆H - ∆nkRT (∆nk = - 7,5 – = -2,5) 163,40.103.78 3,9 =- (-2,5).8,314.298 = - 3261,80.103 J/mol Vậy nhiệt tỏa đốt cháy 7,80 gam benzen bom nhiệt lượng kế ∆U = 7,8/78 (- 3261,80.103) = - 326,18.103 J = - 326,18 kJ b Nhiệt tỏa đốt cháy mol benzen không khí là: 163,40.103.78 3,9 ∆H = = 3268,0kJ Giả sử nhiệt độ lửa T(K) > 373(K) ⇒ Nước tạo thể khí, nhiệt toả phản ứng đốt cháy mol benzen dùng để: tăng nhiệt độ H 2O(l) đến nhiệt độ sơi, hóa nước tăng nhiệt độ H2O(k) từ nhiệt độ sôi đến nhiệt độ lửa; tăng nhiệt độ N2(k) CO2(k) từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ lửa ∑ Cp(CO2,N2) = Cp(CO2) + 4.7,5 Cp(N2) 373 ⇒ -∆H=+ ∫ 298 3Cp(H2O,l)dT = 973,8 + 0,4338T T + ∆Hhh nước + ∫ 373 3Cp(H2O,h)dT ⇔ 3268,0.103 = + + + 3.40,66.103 + ⇔ 3268,0.103 = 973,8(T-298) + 0,2169.(T2- 2982) + 138922,5 + 90,6.(T-373) + 0,015 ( T2- 3732) ⇒ T = 2205K > 337K (vậy giả thiết đúng) Vậy đốt cháy mol benzen khơng khí nhiệt độ lửa 2205K hay 1932oC Bài 3: Tính ∆H0 phản ứng sau 2000C: CO (khí) + O2 (khí) € CO2 (khí) Biết 250C: Nhiệt hình thành chuẩn (kJ.mol−1) Nhiệt dung mol đẳng áp −110,52 −393,51 CO (khí) CO2 (khí) O2 (khí) C p 26,53 + 7,7 10−3 T 26,78 + 42,26 10−3 T 26,52 + 13,6 10−3 T Hướng dẫn ∆H ∆C ∆H 298 p = ∆H 298,ht (CO2) - ∆H (CO) = − 393,51 − (− 110,52) = − 282,99 (kJ) = C (CO2) − [C (CO) + 1/2C (O2)] = − 13,01 + 27,76 10−3 T (J.K−1) 473 p = ∆H p 298 + ∫ 473 p dT = − 282990 + 473 298 ∆H 298,ht ∆C p0 (Jmol-1K-1) 473 (− 13,01 + 27,76 10−3 T)dT ∫ 298 = − 283394 J.mol−1 hay −283,394 kJ.mol−1 Bài 4: Cho kiện sau: Năng lượng thăng hoa Na ion hóa thứ Na liên kết F Nhiệt hình thành NaF rắn : -573,60 kJ.mol Nhiệt hình thành NaCl rắn: -401,28 kJ.mol Tính lực electron F Cl ; so sánh kết thu giải thích -1 -1 Hướng dẫn Áp dụng định luật Hess vào chu trình Ta được: AE = ΔH - ΔH - I - ½ ΔH + ΔH * Thay số vào * , AE (F) = -332,70 kJ.mol AE (Cl) = -360 kJ.mol AE (F) > AE (Cl) F có độ âm điện lớn Cl nhiều Có thể giải thích điều sau: * Phân tử F bền phân tử Cl , ΔH (F ) < ΔH (Cl ) dẫn đến AE (F) > AE (Cl) * Cũng giải thích: F Cl hai nguyên tố liền nhóm VIIA F đầu nhóm Nguyên tử F có bán kính nhỏ bất thường cản trở xâm nhập electron HT TH ( LK ML ( ) ) -1 -1 2 LK pl Bài 5: Năng lượng liên kết tính dựa vào biến thiên entanpi trình chuyển nguyên tử tự thành phân tử (tính cho mol) Đại lượng thường gọi sinh nhiệt nguyên tử Năng lượng liên kết liên kết có chất định nghĩa biến thiên entanpi trình biến đổi số Avogadro phân tử chất cho thành nguyên tử tự Như vậy, lượng liên kết ngược dấu với sinh nhiệt nguyên tử Ở điều kiện tiêu chuẩn, cho biến thiên entanpi phản ứng phân li phân tử H , Br , thăng hoa than chì (C ) sau: H (k) → 2H(k) ΔH = 432,2 kJ/mol Br (l) → 2Br(h) ΔH = 190 kJ/mol C (r) → C(k) ΔH = 710,6 kJ/mol 2 2 tc tc biến thiên entanpi hình thành CH CH Br là: = -74,8 kJ/mol; Tính lượng liên kết C-Br CH Br = -35,6 kJ/mol Hướng dẫn 2H2(k) → 4H(k) Ctc(r) → C(k) 2.ΔH1 = 2.432,2 kJ/mol ΔH3 = 710,6 kJ/mol (1) (2) 2H2(k) + Ctc(r) → CH4(k) ΔH4 = = -74,8 kJ/mol (3) Lấy (3) trừ (2) (1) ta có: 4H(k) + C(k) → CH4(k) ΔH5 ΔH5 = - 74,8 - 710,6 - 2.432,2 = -1649,8 (kJ/mol) Trong CH4 có liên kết C-H Năng lượng liên kết trung bình liên kết C-H là: Br2(l) → 2Br(h) 3H2(k) → 6H(k) 2Ctc(r) → 2C(k) = 412,45 (kJ/mol) ΔH2 = 190 kJ/mol 3.ΔH1 = 3.432,2 kJ/mol 2.ΔH3 = 2.710,6 kJ/mol (4) (5) (6) 3H2(k) + Br2(l) + 2Ctc(r) → 2CH3Br(k) =2.(-35,6) kJ/mol) Từ (4), (5), (6) (7) ta có: 6H(k) + 2Br(h) + 2C(k) → 2CH3Br(k) Hay: 3H(k) + Br(h) + C(k) → CH3Br(k) ΔH6 (7) ΔH6 = = -1489,5 (kJ/mol) Trong phân tử CH3Br có liên kết C-H liên kết C-Br, nên: E(C-Br) = -ΔH6 – E(C-H) = 1489,5 – 3.412,45 = 252,15 (kJ/mol) Bài 6: Thực nghiệm cho biết lượng liên kết, kí hiệu E, (theo kJ.mol -1) số liên kết sau: Liên kết E Liên kết E O-H (ancol) 437,6 C-O (ancol) 332,8 C=O (RCHO) 705,2 C-C (RCHO) 350,3 a) Tính nhiệt phản ứng (∆H0pư) phản ứng: C-H (ankan) 412,6 C-H (RCHO) 415,5 CH2(CHO)2 + 2H2 C-C (ankan) 331,5 H-H 430,5 CH2(CH2OH)2 (1) → b) ∆H0pư tính liên hệ với độ bền liên kết hóa học chất tham gia sản phẩm phản ứng (1)? Hướng dẫn a) Phương trình phản ứng: H O C CH2 C H H H O H + 2H O H CH2 C O C H ∆H0pư = m n i i i=1 νi j liên kết thứ j chất cuối; νj (1) H ∑ν E - ∑ν E i liên kết thứ i chất đầu; H j j j=1 số mol liên kết i số mol liên kết j Vậy ∆H0pư = (2EC=O + 2EH-H + 2EC-H (RCHO) + 2EC-H (Ankan) + 2EC-C (RCHO)) – (2EC-O + 2EO-H + 6EC-H (Ankan) + 2EC-C (Ankan) = (2 705,2 + 430,5 + 415,5 + 412,6 + 350,3) – (2 332,8 + 437,6 + 412,6 + 331,5) = (705,2 + 430,5 + 415,5 + 350,3) – (332,8 + 437,6 + 412,6 + 331,5) = - 51,2 (kJ) b) Phản ứng tỏa nhiệt tổng lượng cần thiết để phá hủy liên kết phân tử chất đầu nhỏ tổng lượng tỏa hình thành liên kết phân tử chất cuối 7: Thả viên nước đá có khối lượng 20 gam -25 oC vào 200 ml rượu Vodka-Hà Nội 39,5o (giả thiết chứa nước rượu) để nhiệt độ 25 oC Tính biến thiên entropi trình thả viên nước đá vào rượu đến hệ đạt cân Coi hệ xét cô lập Cho: R = 8,314 J.mol-1.K-1; khối lượng riêng nước 1g.ml-1 rượu 0,8 g.ml-1; nhiệt dung đẳng áp nước đá 37,66 J.mol-1.K-1, nước lỏng 75,31 J.mol-1.K1 rượu 113,00 J.mol-1.K-1 Nhiệt nóng chảy nước đá 6,009 kJ.mol-1 Hướng dẫn Thành phần rượu nước rượu 39,5o là: 39,5 200 VC2H5OH = = 79 (ml) → VH 2O = 200 - 79 = 121 (ml) 100 →m m H2O = 121 = 121 (g) C2 H 5OH = 79 0,8 =63,2 (g) Khi thả viên nước đá vào hỗn hợp rượu, nhiệt tỏa hỗn hợp rượu nhiệt thu vào viên nước đá hệ đạt cân Gọi nhiệt độ hệ hệ đạt cân tcb (oC) Quá trình thu nhiệt gồm giai đoạn: Q3 Q1 Q2 H O (r)  → H 2O (r)  → H 2O (l)  → H 2O (l) o o o -25 C C C tcb oC Qthu = Q1 + Q2 + Q3 = 20 20 20 37,66 (0 - (-25)) + 6,009.10 + 75,31 (t cb - 0) 18 18 18 Qthu = 7722,78 + 83,68 tcb → Mặt khác nhiệt tỏa trình: Qtỏa = Qtỏa nước + Qtỏa rượu = 121 63, 75,31 (25 − t cb ) + 113,00 (25 − t cb ) 18 46 Qtỏa = 661,50 (25 – tcb) → Do Qtỏa = Qthu nên ta có: 7722,78 + 83,68 tcb = 661,50 (25 – tcb) tcb = 11,83 (oC) → o o Biến thiên entropi hệ ( hệ) tổng biến thiên entropi viên nước đá từ -25 C lên 11,83 C ( ΔS o o nđ) biến thiên entropi hỗn hợp rượu nước từ 25 C xuống 11,83 C ( hhr) ΔS ΔS Biến thiên entropi nước đá tăng từ - 25 oC đến 11,83 oC gồm thành phần: ∆S3 ∆S1 ∆S2 H O (r) → H O (r) → H 2O (l) → H 2O (l) o o o -25 C C C tcb oC Vậy + + nđ = ΔS ΔS1 ΔS2 ΔS3 = 32,03 (J.K-1) nđ = → ΔS 20 37,66 ln 273 + 20 6,009.10 + 20 75,31 ln 273 + 11,83 18 273 - 25 18 273 18 273 Biến thiên entropi hỗn hợp rượu nước giảm từ 25 oC xuống 11,83 oC gồm thành phần: hhr = nước + rượu ΔS ΔS ΔS = - 29,9 (J.K-1) hhr = → ΔS 121 273 + 11,83 63, 273 + 11,83 75,31 ln + 113,00 ln 18 298 46 298 -1 Vậy hệ = 32,03 – 29,9 = 2,13 (J.K ) ΔS Bài 7: Nhiệt hoà tan (∆Hht) 0,672g phenol 135,9g clorofom -88J 1,56g phenol 148,69g clorofom -172J Tính nhiệt pha lỗng dung dịch có nồng độ dung dịch thứ chứa mol phenol pha loãng đến nồng độ dung dịch thứ clorofom Bài 9: Một mẫu gồm 2,0 mol CO2 chiếm thể tích cố định 15,0 dm3 300K Khi cung cấp 2,35kJ lượng dạng nhiệt, nhiệt độ tăng lên 341K Giả sử CO2 tuân theo phương trình Van der Waals sau : p= nRT n − a ÷ V − nb  V  ; Trong a = 3,610 (atm.dm6.mol-1) b = 4,29.10-2 (dm3.mol-1) Tính W, ΔU, ΔH II Nguyên lí II Bài 1: 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) Hướng dẫn Bài 2: Trộn cẩn thận 1,0 mol hidro 0,5 mol oxi áp suất 101,3kPa nhiệt độ 291K xi-lanh làm thép dày có pittong Coi O H2 khí lí tưởng điều kiện xét a Xác định ∆H, ∆S, ∆G kèm với q trình trộn khí b Những giá trị (∆H, ∆S, ∆G) thay đổi trình tiến hành nhiệt độ khác? Nếu thay đổi tính địa lượng 273K Hướng dẫn a Vì khí xem khí lí tưởng, trộn không xảy phản ứng với nên q trình trộn khí thì: ∆H = n ln ni ∆S = -nhệ.R ∑ i với ni phần mol khí i ni = nH2 + nO2 = 1+ 0,5 = 1,5 (mol) 0,5 0,5   ⇒ ∆S = (−1,5).8,314  ln + ln = 7,94 J K −1 ÷  1,5 1,5 1,5 1,5  ∆G = ∆H − T ∆S = −219.7, 94 = −2309,95 J b Đối với q trình trộn khí lí tưởng ∆H ∆S khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, có ∆G phụ thuộc vào nhiệt độ Tại 273K, ta có: ∆G = ∆H − T ∆S = −273.7,94 = −21067, 62 J 7: Thả viên nước đá có khối lượng 20 gam -25 oC vào 200 ml rượu Vodka-Hà Nội 39,5o (giả thiết chứa nước rượu) để nhiệt độ 25 oC Tính biến thiên entropi trình thả viên nước đá vào rượu đến hệ đạt cân Coi hệ xét cô lập Cho: R = 8,314 J.mol-1.K-1; khối lượng riêng nước 1g.ml-1 rượu 0,8 g.ml-1; nhiệt dung đẳng áp nước đá 37,66 J.mol-1.K-1, nước lỏng 75,31 J.mol-1.K1 rượu 113,00 J.mol-1.K-1 Nhiệt nóng chảy nước đá 6,009 kJ.mol-1 Hướng dẫn Thành phần rượu nước rượu 39,5o là: 39,5 200 VC2 H5OH = = 79 (ml) → VH2O = 200 - 79 = 121 (ml) 100 → m C2 H5OH = 79 0,8 =63,2 (g) m H 2O = 121 = 121 (g) Khi thả viên nước đá vào hỗn hợp rượu, nhiệt tỏa hỗn hợp rượu nhiệt thu vào viên nước đá hệ đạt cân Gọi nhiệt độ hệ hệ đạt cân tcb (oC) Quá trình thu nhiệt gồm giai đoạn: Q3 Q1 Q2 H O (r)  → H O (r)  → H O (l)  → H 2O (l) o o o -25 C C C tcb oC 20 20 20 37,66 (0 - (-25)) + 6,009.103 + 75,31 (t cb - 0) 18 18 Qthu = Q1 + Q2 + Q3 = 18 → Qthu = 7722,78 + 83,68 tcb Mặt khác nhiệt tỏa trình: 121 63, 75,31 (25 − t cb ) + 113,00 (25 − t cb ) 46 Qtỏa = Qtỏa nước + Qtỏa rượu = 18 → Qtỏa = 661,50 (25 – tcb) Do Qtỏa = Qthu nên ta có: 7722,78 + 83,68 tcb = 661,50 (25 – tcb) → tcb = 11,83 (oC) Biến thiên entropi hệ ( ΔS hệ) tổng biến thiên entropi viên nước đá từ -25 oC lên 11,83 oC ( ΔS nđ) biến thiên entropi hỗn hợp rượu nước từ 25 oC xuống 11,83 oC ( ΔS hhr) Biến thiên entropi nước đá tăng từ - 25 oC đến 11,83 oC gồm thành phần: ∆S3 ∆S1 ∆S2 H O (r) → H O (r) → H 2O (l) → H O (l) o o o -25 C C C tcb oC ΔS1 + ΔS2 + ΔS3 Vậy ΔS nđ = 20 273 20 6,009.103 20 273 + 11,83 37,66 ln + + 75,31 ln → ΔS nđ = 18 273 - 25 18 273 18 273 = 32,03 (J.K-1) Biến thiên entropi hỗn hợp rượu nước giảm từ 25 oC xuống 11,83 oC gồm thành phần: ΔS hhr = ΔS nước + ΔS rượu 121 273 + 11,83 63, 273 + 11,83 75,31 ln + 113,00 ln → ΔS hhr = 18 298 46 298 = - 29,9 (J.K-1) Vậy ΔS hệ = 32,03 – 29,9 = 2,13 (J.K-1) III Tổng hợp Bài 1: Công đoạn q trình sản xuất silic có độ tinh khiết cao phục vụ cho công nghệ bán dẫn thực phản ứng: SiO2 (r) + 2C (r) Si (r) + 2CO (k) (1) ƒ Khơng cần tính tốn, dựa vào hiểu biết hàm entropi, dự đoán thay đổi (tăng hay giảm) entropi hệ xảy phản ứng (1) Tính trình điều chế silic theo phản ứng (1), dựa vào giá trị entropi chuẩn đây: ∆S 0 SSiO2 (r) = 41,8 J.K -1.mol-1; S0C(r) = 5,7 J.K -1.mol -1; SSi(r) = 18,8 J.K -1.mol-1 ; SCO(k) = 197,6 J.K -1.mol-1 Tính giá trị chuẩn ∆G (ΔH 0f ) phản ứng 25 oC Biến thiên entanpi hình thành điều kiện tiêu SiO2 CO ΔH 0f(SiO2 (r)) = -910,9 kJ.mol -1; ΔH f(CO(k)) = -110,5 kJ.mol -1 có giá trị: Phản ứng (1) diễn ưu theo chiều thuận nhiệt độ nào? (Coi phụ thuộc vào nhiệt độ không đáng kể) ΔH ΔS Hướng dẫn chấm: Theo chiều thuận, phản ứng (1) tăng mol khí Trạng thái khí có mức độ hỗn loạn cao trạng thái rắn, tức có entropi lớn Vậy phản ứng xảy theo chiều thuận entropi hệ tăng = + -2 = 2.197,6 + 18,8 - 2.5,7 - 41,8 = 360,8 JK-1 0 S0C(r) SSiO S0CO(k) SSi(r) ΔS0 2(r) ∆G = ΔH -T ΔS , ΔH = 0 ΔH 0f(Si(r) ) + 2ΔH f(CO - 2ΔH f(C - ΔHf(SiO (k) ) (r) ) 2(r) ) = 2.(-110,5) + 910,9 = 689,9 (kJ) ΔH = -T = 689,9 - 298 360,8.10-3 = 582,4 (kJ) → ∆G ΔH ΔS0 Phản ứng (1) diễn ưu theo chiều thuận bắt đầu có giá trị âm: ΔG = -T = 689,9 - T 360,8.10-3 = T = 1912 oK → 0 ΔG ΔH ΔS Vậy từ nhiệt độ lớn 1912 oK, cân (1) diễn ưu tiên theo chiều thuận Bài 2: Một mol khí lí tưởng đơn nguyên tử 300K 15 atm giãn nở tới áp suất 1atm Sự giãn nở thực đường: a) Đẳng nhiệt thuận nghịch nhiệt động b) Đẳng nhiệt không thuận nghịch c) Đoạn nhiệt thuận nghịch d) Đoạn nhiệt bất thuận nghịch Trong trình bất thuận nghịch, giãn nở chống lại áp suất 1atm Tính Q, W, U, H, Stpcho trường hợp Bài 3: Biết -15°C, Phơi (H2O, l) = 1,428 (torr) -15°C, Phơi (H2O,r) = 1,215(torr) Hãy tính ΔG q trình đơng đặc mol H2O(l) thành nước đá -15°C 1atm Bài 4: Tính ∆S q trình hố mol H2O (l) 25oC, 1atm Cho: ∆Hhh, H2O(l) = 40,656 kJ/mol; , CP H2O l = 75,291 (J/K.mol); CP H2O h = 33,58 (J/molK) Bài 5: Cho mảnh đồng khối lượng 2,00 kg (CP = 24,44 J.K-1.mol-1) nhiệt độ 0°C vào hộp (cơ lập với mơi trường) có chứa 1,00 mol H2O (k) tịa 100oC 1,00 atm a) Giả sử tất nước ngưng tụ thành nước lỏng, nhiệt độ cuối hệ bao nhiêu? b) Tính lượng nhiệt truyền từ nước sang đồng c) Biến thiên entropi nước, đồng, tổng hệ bao nhiêu? Biết CP,l(H2O) = 75,29 J.K-1.mol-1; Nhiệt bay nước 40,656kJ.mol-1 Bài 6: Một chu trình Carnot (bao gồm trình thuận nghịch ) sử dụng mol khí lí tưởng đơn nguyên tử làm tác nhân làm việc từ trạng thái ban đầu 10,0 atm 600K Nó giãn nỡ đẳng nhiệt đến áp suất 1,00 atm (giai đoạn 1), giãn nở đoạn nhiệt đến nhiệt độ 300K (giai đoạn), tiếp nối giai đoạn nén đẳng nhiệt sau nén đoạn nhiệt trạng thái ban đầu (giai đoạn 4) a) Xác định Q,W, U, H, ΔShệ, ΔSMT, ΔStp, ΔG b) Xác định hiệu suất làm việc chu trình Bài 7; Chu trình liên quan đến hoạt động động đốt gọi chu trình Otto Khơng khí (Cp = 7/2R) tác nhân làm việc coi khí lí tưởng Chu trình gồm giai đoạn sau đây: (1) Nén thuận nghịch đoạn nhiệt từ A đến B ; (2) Tại thể tích khơng đổi, áp suất tăng thuận nghịch đoạn nhiệt từ B đến C nhờ vào đốt cháy lượng nhỏ nguyên liệu ; (3) giãn nở thuận nghịch đoạn nhiệt từ C đến D ; (4) Tại thể tích khơng đổi, áp suất giảm thuận nghịch đến trạng thái A Xác định cơng thức hiệu suất chu trình, giả sử nhiệt cung cấp giai đoạn Tính hiệu suất ứng với việc nén theo tỉ lệ 10 : Giả sử rằng, trạng thái A, V = 4,00 dm3, p = 1,00 atm T = 300K, VA = 10VB, pC/pB= Bài 8: Khí ga hóa lỏng có thành phần butan (M = 58,13 g/mol) nén áp suất cao bình thép - sử dụng làm khí đốt cho mục đích dân dụng Một bình ga có chứa 12,8 kg butan Giả sử đốt cháy hồn tồn lượng khí ga điều kiện đẳng áp V lít khơng khí (vừa đủ) nhiệt độ 298K để đun bình nước lớn Lượng nhiệt sinh từ phản ứng (ở 298K) phần làm nóng sản phẩm phản ứng (giả thiết có CO 2(k) H2O(l) lượng N2 có V lít khơng khí) lên 450K; phần làm nóng bình đun nước nước bình; phần cịn lại hao phí xạ nhiệt môi trường xung quanh Biết lượng xạ nhiệt môi trường xung quanh 1/10 lượng nhiệt nhận bình đun nước bình a Tính nhiệt đốt cháy chuẩn, ∆cHo (kJ.mol-1), khí butan 298K b Tính nhiệt lượng (theo kJ) mà bình đun nước bình nhận đốt cháy tồn lượng butan bình thép điều kiện c Tính khối lượng nước bình đun nóng (trong lần đun) từ 25oC đến 78oC đốt cháy hết 2,4 kg khí butan điều kiện Giả thiết, nước bình bay không đáng kể điều kiện cho Cho rằng: + Nhiệt hình thành chất: 393,51 kJ/mol; o ∆ f H 298( H 2O , l ) o ∆ f H 298( C4 H10 , k ) + Nhiệt hóa nước lỏng: C + Nhiệt dung: o p (CO2 , k ) ∆vH -1 o ∆ f H 298( CO2 , k ) = – 126,14 kJ/mol; -1 C po ( N , k ) = 75,3 J.mol-1K-1; = 28,74 J.mol-1K-1; C po ( H 2O , k ) = 33,86 J.mol-1K-1; = 6750 J/K a Xét phản ứng: C4H10(k) + 6,5O2(k) → 4CO2(k) + 5H2O(l) o o o ∆ c H 298( C4 H10 , k ) ∆ c H 298( pu ) ∆ H ∆ Ho ∆ Ho = = f 298( CO2 ,k ) + f 298( H 2O ,l ) - f 298( C4 H10 ,k ) = 4.(-393,51) + 5.(-285,83) – (-126,14) = - 2877,05 (kJ/mol) b Nhiệt tỏa đốt cháy hết 12,8 kg butan 298K 12,8.103 o Q= ∆ cH298 = 58,13 - 633515,225 kJ Theo đề: = Q1 + Q2 + Q3 = Q1 + 10 Q3 + Q3 (*) - Q = Qđốt sp nitơ + Qtỏa mt + Qđốt nước & bình đun với: Q2 = 10 Q3 n Co ∆ Ho Co Mà: Q1 = H 2O [(373 - 298) p ( H 2O ,l ) + v 373( H 2O ,l ) + (450 - 373) p ( H 2O ,k ) ] n n Co Co + CO2 (450 – 298) p ( CO2 ,k ) + N (450 – 298) p ( N ,k ) = =– = 40,5 kJ/mol; = 41,63 J.mol K ; C po ( H 2O , l ) C po (binh dun ) o 373( H 2O , l ) = – 285,83 kJ/mol; 12,8.103 58,13 [(373 - 298).75,3.10-3 + 40,5 + (450 - 373).33,86.10-3] 12,8.103 12,8.103 6,5.4 58,13 (450 – 298).41,63.10-3 + 58,13 (450 – 298).28,74.10-3 + = 84261,372 kJ Thay Q, Q1 vào (*) có: 633515,225 = 84261,372+ 10 Q3 + Q3 ⇒ Q3 = 499321,685 kJ c Nhiệt lượng mà bình đun nước bình nhận đốt cháy 2,4 kg butan điều 2,4 kiện là: Q3’ = 12,8 Q3 = Qnước + Qbình Lượng nước đun nóng từ 25oC đến 78oC: 2, 12,8 499321,685 = nH 2O (351 – 298).75,3.10-3 + 6750.10-3 (351 – 298) ⇒ nH 2O = 23369,432 mol ⇒ mH 2O = 420,65.103 gam = 420,65 kg ... sử nhiệt độ lửa T(K) > 373(K) ⇒ Nước tạo thể khí, nhiệt toả phản ứng đốt cháy mol benzen dùng để: tăng nhiệt độ H 2O(l) đến nhiệt độ sơi, hóa nước tăng nhiệt độ H2O(k) từ nhiệt độ sôi đến nhiệt. .. suất : atm • Nhiệt độ : 25°C (298K) • Chất tham gia phản ứng: – Chất rắn: • Nguyên chất, bền 25°C, 1atm – Chất dung dịch: • C=1 mol/L (M) II Nhiệt động học Nội Nội chất lượng toàn phần (động + phân... 10,0 atm 600K Nó giãn nỡ đẳng nhiệt đến áp suất 1,00 atm (giai đoạn 1), giãn nở đoạn nhiệt đến nhiệt độ 300K (giai đoạn), tiếp nối giai đoạn nén đẳng nhiệt sau nén đoạn nhiệt trạng thái ban đầu (giai