Sáng kiến kinh nghiệm Một số câu hỏi và bài tập cho học sinh phần “Nhiệt hoá học”

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Một số câu hỏi và bài tập cho học sinh phần “Nhiệt hoá học”

1. I. Mở đầu 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 chuyên dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh và cấp Quốc gia được tốt thì nhu cầu cấp thiết là cần có một hệ thông 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, Vì vậy , 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” II. Mục đích của đề tài Xây dựng 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. III. Nội dung A- Cơ sở Lí thuyết : Trước khi đưa ra hệ thống bài tập cho học trò luyện tập thì giáo viên cần phải yêu cầu học trò nhớ lại một số khái niệm và nội dung lí thuyết cơ bản của phần Nhiệt hoá học như sau: 1) Khí lí tưởng: * Khí lí tưởng là chất khí mà khoảng cách giữa các phân tử khí xa nhau, có thể bỏ qua tương tác giữa chúng. * Với khí lí tưởng thì có thể áp dụng : - Phương trình trạng thái: P.V = nRT (R = 8,314 J/mol.K = 0,082 l.atm/mol.K) - 1 -
2. n .RT - Trong bình có hỗn hợp khí thì: P = P = i i V còn ni Pi = Ni .P = .P ni 2) Hệ và môi trường: - Hệ mở: hệ trao đổi chất và năng lượng với môi trường. - Hệ kín: Hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường. - Hệ đoạn nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường. * Quy ước: Hệ nhận năng lượng của môi trường năng lượng mang dấu + Hệ nhường năng lượng cho môi trường năng lượng mang dấu - 3) Biến đổi thuận nghịch: Nếu hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác một cách vô cùng chậm qua liên tiếp các trạng thái cân bằng thì sự biến đổi này được gọi là thuận nghịch. Đây là sự biến đổi lí tưởng không có trong thực tế. 4) Sự biến đổi bất thuận nghịch: là sự biến đổi được tiến hành với vận tốc đáng kể. Những phản ứng trong thực tế đều là biến đổi bất thuận nghịch. 5) Hàm trạng thái: là hàm mà giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ, không phụ thuộc vào những sự biến đổi trước đó. Ví dụ: P.V = hàm trạng thái P1.V1 = n.RT1 ; P2.V2 = n.R.T2 6) Công (W) và nhiệt (Q) - Là 2 hình thức trao đổi năng lượng. - W, Q không phải là hàm trạng thái vì giá trị của chúng phụ thuộc vào cách biến đổi. o Ví dụ: Công của sự giãn nở khí lí tưởng từ thể tích V1 đến V2 ở t = const trong 1 xilanh kín nhờ 1 pittông được tính bằng công thức: 2 W = - P .dV (P : áp suất bên ngoài) n n 1 * Nếu sự biến đổi là BTN thì Pn = Pkq = const - 2 -
3. 2 WBTN = - Pkq . dV = - Pkq . V = - Pkq .(V2 - V1) 1 * Nếu sự biến đổi là thuận nghịch: Giảm Pn những lượng vô cùng bé để thể tích khí tăng những lượng vô cùng bé. Khi đó Pn mỗi lúc thực tế = P ở bên trong xi lanh = Pk Pn = Pk = n.RT/V 2 2 dV V W = - P .dV = - nRT . = - nRT .ln 2 W W TN n BTN TN 1 1 V V1 * Các quá trình thuận nghịch sinh công lớn nhất khi hệ biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2. Lượng công này đúng bằng lượng công cần thiết đưa hệ về trạng thái ban đầu một cách thuận nghịch. 7) Nội năng U: - U của một chất hay một hệ gồm động năng của các phần tử và thế năng tương tác giữa các phần tử trong hệ đó. - U là đại lượng dung độ và là hàm trạng thái - U của n mol khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. 8) Nguyên lí I của nhiệt động học: (Sự biến đổi nội năng của hệ). U = U2 - U1 = W + Q - Đối với sự biến đổi vô cùng nhỏ: dU = W + Q (: Chỉ những hàm không phải là hàm trạng thái) - Thường gặp công được thực hiện chỉ do sự biến đổi thể tích nên: W = -P.dV 2 2 dU = Q = P .dV dU = Q - P.dV  U = Q - P.dV 1 1 * Nhiệt đẳng tích: Nếu hệ biến đổi ở V = const dV = 0 U = QV QV là 1 hàm trạng thái. * Nhiệt đẳng áp: Nếu hệ biến đổi ở P = const thì: 2 2 P.dV = P . dV = P. V2 - P. V1 1 1 U = U2 - U1 = QP - P. V2 + P .V1 QP = (U2 + P.V2) - (U1 + P .V1) Đặt U + P.V = H = entanpi = hàm trạng thái QP = H2 - H1 = H = sự biến thiên entanpi của hệ. * Nhiệt phản ứng: - 3 -
4. Xét 1 hệ kín trong đó có phản ứng: aA + bB cC + dD Nhiệt phản ứng của phản ứng này là nhiệt lượng trao đổi với môi trường khi a mol A phản ứng với b mol B tạo ra c mol C và d mol D ở T = const. - Nếu phản ứng được thực hiện ở P = const thì nhiệt phản ứng được gọi là nhiệt phản ứng đẳng áp QP = H - Nếu phản ứng được thực hiện ở V = const thì nhiệt phản ứng được gọi là nhiệt phản ứng đẳng tích QV= U * Quan hệ giữa QP và QV QP = H = (U + PV)P = U + P. V H = U + P . V = U + n .RT QP = QV + n .RT ( n =  n khí sp -  n khí pư ) Khi n = 0 QP = QV hay H = U U = QV = n .CV . T H = QP = n .CP . T * Nhiệt dung mol đẳng áp (CP) là nhiệt lượng cần cung cấp để làm 1 mol chất nóng thêm 1o trong điều kiện đẳng áp (mà trong quá trình không có sự biến đổi trạng thái). T2 T2 * Tương tự với C : H = C .dT ; U = C .dT V P T T1 T1 CP, CV là hàm của nhiệt độ. H U Với 1 mol khí lí tưởng: CP = ; CV = T T H U P. V Mà U = H - P. V CP = = + = CV + R T T T Q, W: Không phải là hàm trạng thái QV = U; QP = H QV, QP là hàm trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi là thuận nghịch hay không thuận nghịch. 9) Định luật Hess: H ( U) của 1 quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào đường đi. Hpư =  Hs (sản phẩm) -  Hs (chất đầu) =  Hc (chất đầu) -  Hc (sản phẩm) 10) Định luật Kirchhoff: - 4 -
5. H2 n1 A + n2 B n3C + n4 D T2 H Ha b H1 n1 A + n2 B n3C + n4 D T1 Theo định luật Hess: H2 = Ha + H1 + Hb Mà: T2 T2 Ha = (n .C n .C ).dT = - (n .C n .C ).dT 1 PA 2 Pb 1 PA 2 PB T1 T1 T2 Hb = (n .C n .C ).dT 3 PC 4 PD T1 T2 T2 H2 = H1 + [(n .C n .C ) (n C n C )].dT = H1 + C .dT 3 PC 4 PD 1 PA 2 PB P T1 T1 T - H thường được xác định ở điều kiện chuẩn: Ho = Ho + C o .dT 1 T 298 P 298 o o o Với C P = C P(sp) - C P(tham gia) o C P là nhiệt dung mol đẳng áp ở điều kiện chuẩn (1atm). o - Trong khoảng hẹp của nhiệt độ có thể coi C P = const Thì: H2 = H1 + CP.(T2 -T1) o o o H T = H 298 + C P (T - 298) 11) Entropi (S) - Trong sự biến đổi thuận nghịch vô cùng nhỏ ở T = const hệ trao đổi với môi trường một QTN lượng nhiệt QTN thì sự biến thiên entropi trong quá trình này là: dS = T S là hàm trạng thái (J/mol.K) QTN - Nếu sự biến đổi là bất thuận nghịch thì dS > T - Vì là hàm trạng thái nên khi chuyên từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng biến thiên thuận 2 QTN nghịch hay bất thuận nghịch thì S2 - S1 = S = 1 T ( STN = SBTN) 12) Nguyên lí II của nhiệt động học: - 5 -
6. Q dS T - Trong hệ cô lập Q = 0. nên: + dS = 0: trong hệ cô lập entropi của hệ không đổi nếu xảy ra quá trình thuận nghịch. + dS > 0 : trong hệ cô lập, quá trình tự xảy ra (BTN) theo chiều tăng entropi của hệ và tăng cho tới khi đạt giá trị max thì hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng. * 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). VD: S < S H O (l) < S H2O(r) 2 H2O (h) S < S < S H2(k) O2(k) O3 (k) S là 1 đại lượng dung độ. 13) Sự biến thiên S trong quá trình biến đổi trạng thái của chất: Khi chất nguyên chất nóng chảy hoặc sôi ở P = const thì: 2 Q H T = const S = = 1 T T H = nhiệt biến thiên trạng thái = Ln/c hoặc Lh 14) S trong quá trình giãn nở đẳng nhiệt khí lí tưởng: o Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V1 V2 ở t = const. Vì nội năng của khí lí tưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên trong sự biến đổi này: U = QTN + WTN = QBTN + WBTN = 0 2 V2 nRT QTN = - WTN = nRT. ln ( = -(- P. V) = .dV ). V1 1 V Q V P T = const S = TN = nRln 2 = n.R.ln 1 T V1 P2 15) Sự biến thiên entropi của chất nguyên chất theo nhiệt độ. - Quá trình P = const: Đun nóng 1 chất nguyên chất từ T1 T2, không có sự chuyển pha: T2 QTN S = Với Q = QP = dH = n.CP.dT T T1 - 6 -
7. T2 dT S = n.C . P T T1 T2 * Trong khoảng nhiệt độ hẹp, coi CP = const S = n.CP.ln T1 T2 - Quá trình: V = const S = n .CV.ln T1 16) Entropi tuyệt đối * Nguyên lí III của nhiệt động học: - Entropi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn chỉnh ở 0(K) bằng 0: S(T = 0) = 0 * Xuất phát từ tiên đề trên ta có thể tính được entropi tuyệt đối của các chất ở các nhiệt độ khác nhau. VD: Tính S của 1 chất ở nhiệt độ T nào đó, ta hình dung chất đó được đun nóng từ 0(K) T(K) xét ở P=const. Nếu trong quá trình đun nóng có sự chuyển pha thì: 5 S = ST - S(T = 0) = ST =  Si i 1 Tnc TS T dT Lnc dT LS dT ST = n.C . n. n.C . n. n.C . P(r) T T P(l) T T P(h) T 01 nc Tnc S TS Giá trị entropi được xác định ở P = 1 atm = const và ở nhiệt độ T nào đó được 0 0 gọi là giá trị entropi chuẩn, kí hiệu là S T, thường T = 298K S 298 17) Sự biến thiên entropi trong phản ứng hoá học: + Khi phản ứng thực hiện ở P = const, T = const thì: S = S(sp) - S(t/g) 0 0 0 0 + Nếu ở điều kiện chuẩn và 25 C thì: S 298= S 298(sp) - S 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. 18) Thế nhiệt động Scô lập = S hệ + S mt ≥ 0 a)Thế đẳng áp G: Xét hệ xảy ra sự biến đổi ở P, T đều không đổi trong quá trình này môi trường nhận của hệ một nhiệt lượng Hmt do hệ toả ra Hmt = - H hệ = - H H S mt = - T - 7 -