Sáng kiến kinh nghiệm Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học - Lưu Vũ Diềm Hằng

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học - Lưu Vũ Diềm Hằng

1. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp Mẫu 1B CỘNG HềA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phỳc HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HểA HỌC Họ và tờn: LƯU VŨ DIỀM HẰNG Chức vụ: Giỏo viờn Đơn vị cụng tỏc: Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp Quảng Bỡnh, thỏng 11 năm 2018 Lưu Vũ Diễm Hằng 1
2. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp Mẫu 1A CỘNG HềA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập1. PHẦN - Tự doMỞ - HạnhĐẦU phỳc 1.1. Lí DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhiệt động húa học là mụn nghiờn cứu năng lượng và chuyển húa năng lượng mà trước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển húa giữa nhiệt với cụng và cỏc dạng năng lượng khỏc. Nhiệt động húa học ứng dụng cỏc định luật của nhiệt động học để khảo sỏt cỏc quỏ trỡnh húa lý khỏc nhau như: Tớnh toỏn nhiệt cho cỏc quỏ trỡnh, xỏc định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của cỏc phản ứng húa học Nắm vững cỏc kiến thức về nhiệt động húa học là rất cần thiết và quan trọng. Trong quỏ trỡnh dạy và học mụn Húa học, khi nắm vững lý thuyết về nhiệt động húa HIỆUhọc cỏc em sẽ ỨNG dễ dàng hơn NHIỆT trong việc giải thớchCỦA được tạiPHẢN sao phản ứng ỨNG này lại xảy ra cũn phản ứng kia lại khụng, tạiHểA sao cú phản HỌC ứng lại tỏa nhiệt nhưng cú những phản ứng lại thu nhiệt . Thụng qua việc nắm kiến thức về nhiệt phản ứng học sinh rốn luyện tớnh tớch cực, trớ thụng minh, tự lập, sỏng tạo, bồi dưỡng hứng thỳ trong học tập mụn Húa học để cho mụn học khụng cũn khụ khan và cứng nhắc nữa. Xuất phỏt từ suy nghĩ muốn giỳp học sinh khụng gặp phải khú khăn và nhanh chúng tỡm được niềm đam mờ, hứng thỳ với mụn húa trong quỏ trỡnh học tập. Chớnh vỡ vậy tụi chọn đề tài: “HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HểA HỌC” 1.2. MỤC ĐỊCH CHỌN ĐỀ TÀI - Cỏc húa học luụn kốm theo sự biến đổi về năng lượng (chủ yếu dưới dạng nhiệt) cho nờn việc nghiờn cứu hiệu ứng nhiệt của phản ứng húa học sẽ cú một ý nghĩa nhất định đối với húa học. - Xỏc định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của cỏc phản ứng húa học. - Giỳp học sinh tớnh toỏn được nhiệt của phản ứng qua đú xỏc định phản ứng đú là thu hay tỏa nhiệt. 1.3. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI Tỡm hiểu về : Quảng Bỡnh, thỏng 11 năm 2018 - Hiệu ứng nhiệt của cỏc quỏ trỡnh húa học và phương trỡnh nhiệt hoỏ học. - Định luật Hess và cỏc hệ quả, ứng dụng của định luật Hess. - Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ. Lưu Vũ Diễm Hằng 2
3. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp - Làm một số dạng bài tập liờn quan đến nhiệt húa học 2. PHẦN NỘI DUNG I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP 1.1. Hiệu ứng nhiệt phản ứng. Hiệu ứng nhiệt của quỏ trỡnh húa học là nhiờt lượng tỏa ra hay hấp thụ trong cỏc quỏ trỡnh húa học dựng để thay đổi nội năng hay entanpi của hệ.[1] Trong cỏc quỏ trỡnh hoỏ học phỏt nhiệt làm cho nội năng U và entanpy H của hệ giảm xuống tức là ΔU 0 và ΔH > 0. Trong những phản ứng mà chất rắn và chất lỏng tham gia sự biến đổi thể tớch là khụng đỏng kể và nếu quỏ trỡnh thực hiện ở ỏp suất bộ cú thể coi pΔU cú giỏ trị rất nhỏ khi đú ΔH ≈ ΔU. Nếu cỏc phản ứng cú chất khớ tham gia thỡ giỏ trị ΔH và ΔU sẽ khỏc nhau. Trong trường hợp khớ tham gia là lý tưởng: PV = nRT pΔV = Δn. RT n: là biến thiờn số mol khớ trong phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T. R là hằng số khớ R = 8,312at.lit / mol. độ ΔH = ΔU + ΔnRT Khi Δn = 0 thỡ ΔH = ΔU Δn ≠ 0 thỡ ΔH ≠ ΔU [1] 2.2. Phương trỡnh nhiệt húa học. Phương trỡnh nhiệt hoỏ học là phương trỡnh phản ứng hoỏ học bỡnh thường cú ghi kốm hiệu ứng nhiệt và trạng thỏi tập hợp của cỏc chất tham gia và thu được sau phản ứng. Đa số cỏc phản ứng xảy ra ở ỏp suất khụng thay đổi nờn ta xột chủ yếu biến thiờn ΔH. [1] Vớ dụ: C( r) +O2 (k) CO 2 (k)ΔH =-395.41 kJ Kim cương (tinh thể) C( r) +O2 (k) CO 2 (k)ΔH =-393.51 kJ Graphit (than chỡ ) Khi viết phương trỡnh nhiệt húa học ta cần lưu ý : ▪ Hệ số của phương trỡnh: Lưu Vũ Diễm Hằng 3
4. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp H2(k) +1/2O2(k) H 2O(l) ΔH =-285.84kJ 2H2(k) +O2(k) 2H 2O(l)ΔH =-571.68 kJ ▪ Cần nờu ỏp suất và nhiệt độ tại đú xỏc định giỏ trị entanpi. Thụng thường ỏp suất 1 atm được ghi bằng chỉ số trờn 0, nhiệt độ 25oC được ghi bằng chỉ số dưới 298 (K) của kớ hiệu ΔH: 0 H2(k) +1/2O2(k) H 2O(l)ΔH 298 =-285.84 kJ Áp suất 1 atm, nhiệt độ 298 0 K là ỏp suất tiờu chuẩn và nhiệt độ tiờu chuẩn nhiệt động lực học. Cú thể ỏp dụng định luật Hess để xỏc định lớ thuyết hiệu ứng nhiệt phản ứng. Về bản chất, định luật là hệ quả của nguyờn lý thứ nhất nhiệt động lực học ỏp dụng cho quỏ trỡnh húa học. [2] Ta quy ước: Quỏ trỡnh thu nhiệt ΔH>0 Quỏ trỡnh tỏa nhiệt ΔH<0 Hiệu ứng nhiệt ΔH của 1 phản ứng ở ỏp suất khụng đổi và một nhiệt độ xỏc định bằng tổng entanpy của cỏc sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entanpi của cỏc chất tham gia phản ứng: ΔH = ΣΔHSPpư - ΣΔHchất đầu pư 2.3. Cỏc loại nhiệt thường gặp. ❖ Nhiệt tạo thành. Nhiệt tạo thành (cũn gọi là sinh nhiệt ) của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đú từ cỏc đơn chất ứng bền vững ở điều kiện đó cho. Nhiệt tạo thành thường được đo trong điều kiện đảng ỏp và quy về 25 0C, 1atm. Khi đú ta cú nhiệt tạo thành tiờu chuẩn, tức entanpi tạo thành mol tiờu chuẩn và kớ hiệu 0 là ΔH tt Chỉ cú thể đo trực tiếp được nhiệt tạo thành trong 1 số ớt trường hợp như HCl, CO2, H2O cũn lại phải tớnh bằng phương phỏp giỏn tiếp. Quy tắc tớnh nhiệt tạo thành: “Entanpi của một phản ứng húa học bằng tổng entanpi sinh của cỏc sản phẩm trừ entanpi sinh của cỏc chất phản ứng” Vớ dụ: Xột phản ứng CH2 = CH2 (k) +H2O (l) CH3CH2OH (l) H 0 H 0 [ H 0 H 0 ] 298 S(CH3CH2OH,L) S(CH2 CH2,K ) S(H2O,L) = -277,6 – (52,2 – 285,6) = -44,2 kJ/ mol. Lưu Vũ Diễm Hằng 4
5. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp - Entanpi sinh nguyờn tử: Khi 1 mol hợp chất được tạo ra từ cỏc nguyờn tử thỡ độ biến thiờn entanpi của quỏ trỡnh này gọi là entanpi sinh nguyờn tử. - Entanpi sinh của chất tan: Là hiệu ứng nhiệt của quỏ trỡnh hỡnh thành 1 mol chất ở trạng thỏi tan từ cỏc đơn chất ở trạng thỏi bền vững nhất trong cỏc điều kiện đó cho về nhiệt độ và ỏp suất. 0 Vớ dụ: 1.Tớnh entanpi hũa tan của 1 mol HCl(k) trong 200 mol nước ở 25 C 2. Tớnh H 298 của phản ứng HCl trong 100 mol H2O + NaOH trong 100 mol H2O NaCl trong 200 mol H2O + H2O(l) Giải: 1. HCl(K ) 200molH 2O HCl trong 200 mol H2O = -166,51 +92,2 = - 74,31 kJ/ mol H H H 298 s,298(NaCltrong 200mol) s,298(H2Ol) 2. H s,298(NaOHtrong100) H s,298(HCltrong 200mol) = - 406,76 – 285,6 + 166,16 + 469 = -57,19 kJ - Entanpi sinh của ion trong dung dịch nước là quỏ trỡnh biến thiờn entanpi của phản ứng hỡnh thành 1 mol ion bị hidrat húa từ cỏc đơn chất. Vớ dụ: Entanpi sinh của Cl aq 0 ẵ H2 (k) +1/2 Cl2 (k) HCl k Hs,298 = -92,2 kJ (1) 0 HCl k + aq H aq + Cl aq H298 = - 75,13kJ (2) 0 ẵ H2 (k) +aq H aq +e Hs,298 = 0 (3) 0 (1) + (2) - (3) ẵ Cl2 (k) +aq +e Cl aq Hs,298 = -167, 33 kJ Vớ dụ: Nhiệt tạo thành của khớ CO2 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng: C(gr) + O2 = CO2(k) ΔH = -393,5 kJ/mol Hiệu ứng nhiệt của phản ứng kết hợp giữa H2 và O2 tạo thành nước: 2H2(k) + O2(k) = 2H2O(l) ΔH = -571,66 kJ/mol Nhiệt tạo thành của nước lỏng từ cỏc đơn chất là: -571,66 : 2 = -285,83 kJ ❖ Nhiệt chỏy. Nhiệt chỏy (cũn gọi là thiờu nhiệt): Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng dốt chỏy 1 mol chất bằng khớ oxi (O2) để tạo thành sản phẩm chỏy ở ỏp suất khụng đổi. Sản phẩm Lưu Vũ Diễm Hằng 5
6. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp chỏy của cỏc nguyờn tố C, H, N, S, Cl được chấp nhận tương ứng là CO 2(k), H2O(l), N2(k), SO2(k) và HCl(k.) Quy tắc tớnh nhiệt chỏy: “Hiệu ứng nhiệt của 1 phản ứng húa học bằng tổng cỏc entanpi chỏy của cỏc chất phản ứng trừ đi tổng entanpi chỏy của cỏc sản phẩm” Người ta dựng entanpi chỏy để xỏc định entanpi sinh của 1 hợp chất hữu cơ và hiệu ứng nhiệt của cỏc phản ứng hữu cơ vỡ cỏc đại lượng này khú xỏc định bằng thực nghiệm. Vớ dụ: C2H6 + 7/2 O2 2CO2 +3H2OΔH=-372.82 kcal Ta cú ΔHdc=-372.82 kcal * Nhiệt chuyển pha Quỏ trỡnh chuyển pha là quỏ trỡnh trong đú một chất chuyển từ trạng thỏi tập hợp này sang trạng thỏi tập hợp khỏc. Quỏ trỡnh chuyển pha cú thể là thăng hoa, bay hơi, núng chảy, biến đổi đa hỡnh, chuyển từ trạng thỏi vụ định hỡnh sang trạng thỏi tinh thể. Hiệu ứng nhiệt kốm theo quỏ trỡnh chuyển pha là nhiệt chuyển pha. * Năng lượng liờn kết Năng lượng của một liờn kết định vị là năng lượng được giải phúng khi liờn kết húa học được hỡnh thành từ cỏc nguyờn tử cụ lập. “Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng húa học bằng tổng cỏc năng lượng liờn kết của cỏc phẩn tử sản phẩm trừ đi tổng cỏc năng lượng liờn kết của cỏc chất phản ứng” * Năng lượng mạng lưới tinh thể ion Trong điều kiện bỡnh thường, cỏc hợp chất ion cú cấu trỳc tinh thể. Trong mạng lưới tinh thể ion khụng cú ranh giới giữa cỏc phõn tử. Mỗi tinh thể được coi như 1 phõn tử. Do đú đối với loại hợp chất này, người ta ớt dựng năng lượng liờn kết mà dựng năng lượng mạng lưới tinh thể. “Là năng lượng được giải phúng khi 1 mol chất tinh thể được hỡnh thành từ cỏc ion ở thể khớ” Khụng thể đo trực tiếp năng lượng mạng lưới tinh thể bằng phương phỏp tớnh nhiệt húa học. Phương phỏp tớnh năng lượng mạng lưới tinh thể ion dựa vào cỏc dữ kiện thực nghiệm về năng lượng của cỏc quỏ trỡnh khỏc do H.Born và F.Haber đề xuất nờn phương phỏp này cũn gọi là phương phỏp chu trỡnh Born – Haber. Lưu Vũ Diễm Hằng 6
7. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học Trường THPT Chuyờn Vừ Nguyờn Giỏp 2.4. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ và ỏp suất Phương trỡnh này được thiết lập từ định luật Hess tức là hiệu ứng nhiệt khụng phụ thuộc vào đường đi chỉ phụ thuộc và trạng thỏi đầu và cuối. Xột phương trỡnh: aA +bB + gG + dD + thực hiện ở ỏp suất khụng đổi. Ở nhiệt độ T hiệu ứng nhiệt phản ứng là H . Chuyển chất phản ứng lờn nhiệt độ T , 1 T1 2 thực hiện phản ứng tạo sản phẩm, hiệu ứng nhiệt của phản ứng là HT 2 , sau đú chuyển sản phẩm phản ứng về nhiệt độ T1 H (mA nB) T2 ( pC qD) T2 T2 (mA nB)  HT 1 ( pC qD) T1 T1 T2 Chuyển chất phản ứng từ T T : H C (chất phản ứng)dT 1 2 1 p T1 T1 T2 Chuyển chất phản ứng từ T T : H C (chất sản phẩm)dT =- C (chất sản 2 1 2 p p T2 T1 phẩm) dT Theo định luật Hess: H H H H T1 1 2 T2 T2 T2 H H H H H + C (chất phản ứng)dT - C (chất sản phẩm) dT T2 T1 1 2 T1 p p T1 T1 T2 T2 T2 Đặt C (chất phản ứng)dT - C (chất sản phẩm) dT = C dT p p p T1 T1 T1 T2 H H C dT T2 T1 P T1 Từ phương trỡnh Kirchhoff thấy sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt của phản ứng vào nhiệt độ là do sự khỏc nhau giữa nhiệt dung mol phõn tử đẳng ỏp của chất sản phẩm và chất phản ứng quyết định. 2.5. Định luật Hess và cỏc hệ quả, ứng dụng của định luật Hess. 2.5.1. Định luật Hess (1812-1850). Năm 1840 G.I.Hess đó phỏt minh ra định luật căn bản của nhiệt động húa học. Khỏi niệm: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng húa học chỉ phụ thuộc vào trạng thỏi đầu và trạng thỏi cuối chứ khụng phụ thuộc vào cỏc giai đoạn trung gian.[1] Lưu Vũ Diễm Hằng 7