Bài Tập Nhiệt Hóa Học Có Lời Giải

CHƢƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC

Học xong chƣơng này sinh viên phải trả lời đƣợc các câu hỏi sau:

1. Hãy cho biết nội dung và biểu thức toán học của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học. Cho biết quy ước về dấu cho nhiệt và công.
2. Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học là gì? Thế nào là hiệu ứng nhiệt đẳng tích, hiệu ứng nhiệt đẳng áp? Thế nào là phương trình nhiệt hóa học?
3. Thế nào là trạng thái tiêu chuẩn của các chất? thế nào là hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn của một phản ứng?
4. Thế nào là nhiệt tạo thành mol tiêu chuẩn của một chất? Thế nào là nhiệt đốt cháy mol tiêu chuẩn của một chất?
5. Phát biểu định luật Hess. Nêu các hệ quả của định luật Hess.
6. Phát biểu nội dung nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
7. Nêu một vài tính chất và ý nghĩa của entropy.
8. Cho biết đặc điểm của biến thiên entropy của hệ cô lập.
9. Độ biến thiên entropy xảy ra trong một phản ứng hóa học được tính như thế nào?
10. Ý nghĩa của đại lượng năng lượng tự do Gibbs (hay còn gọi là biến thiên thế đẳng áp) của phản ứng hóa học (G)?
11. Biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩn (hay còn gọi là năng lượng tự do Gibbs) của phản ứng (G 0 ) là gì?
12. Thế đẳng áp tạo thành mol tiêu chuẩn (G 0 tt hay G 0 f)là gì? Cho biết ý nghĩa của đại lượng này.

? Câu hỏi thực tế 1 cương có là vĩnh cửu? Kim cương có thể chuyển hoá thành than chì? 2ại sao khi xoa cồn trên da, chúng ta có cảm giác mát? 3. Tại sao khi các cầu thủ bị chấn thương, bác sĩ xịt thuốc có thể làm giảm đau nhanh chóng? Gợi ý: thuốc xịt là C 2 H 5 Cl.

CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN :

Tại sao túi chườm nóng có thể giữ ấm? Có tồn tại động cơ vĩnh cửu không?

TÓM TẮT CHƢƠNG 3

1. Các định nghĩa về năng lƣợng và quy ƣớc về dấu của nhiệt và công 2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học  Nội năng  E = q + w (kJ)  Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: q (kJ) (q>0 thu nhiệt, q<0 tỏa nhiệt) Hiệu ứng nhiệt đẳng tích: qV = E Hiệu ứng nhiệt đẳng áp: qp = H = E + PV Mối liên hệ: H = E + RTnkhí Nhiệt tạo thành: Htt (kJ/mol), nhiệt tạo thành 1mol hợp chất từ các đơn chất bền. Đơn chất bền có H 0 tt = 0. Nhiệt đốt cháy: Hđc (kJ/mol), nhiệt đốt cháy 1mol hợp chất bằng khí oxy để tạo thành CO 2 (k), H 2 O ( lỏng ), N 2 (k), SO 2 (k) hoặc HCl (k). Cách tính H (kJ):  Định luật Hess H thuận = – H nghịch H 0 pứ = H 0 tt (sản phẩm) – H 0 tt (chất đầu) H 0 pứ = H 0 đc (chất đầu) – H 0 đc (sản phẩm)  Công : w (w<0 hệ sinh công, w>0 hệ nhận công)  Công trong quá trình đẳng tích: w=  Công trong quá trình đẳng áp: w = -PV = -RTnkhí Lưu ý : R = 8,314 (J.mol-1-1) hoặc R = 1,987 (cal.mol-1-1) 3. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học Trong điều kiện năng lượng không thay đổi, hệ có khuynh hướng chuyển từ trạng thái có độ mất trật tự thấp sang mất trật tự cao. Nguyên lý thứ ba của nhiệt động học: một nguyên chất, tinh thể hoàn hảo, ở 0K có S=0. S 0 pư = S 0 (sản phẩm) – S 0 (chất đầu)

 q S T



Với hệ cô lập, S > 0 quá trình tự xảy ra.

4. Thế nhiệt động và tiêu chuẩn tự diễn biến và giới hạn của quá trình

 Thế đẳng áp (năng lƣợng tự do Gibbs): G = H – TS G 0 pứ = G 0 tt (sản phẩm) – G 0 tt (chất đầu) (kJ) (kJ/mol) (kJ/mol) Đơn chất bền có G 0 tt = 0

 Tiêu chuẩn tự diễn biến và giới hạn của quá trình: G < 0 phản ứng xảy ra tự phát tại nhiệt độ khảo sát hoặc xảy ra theo chiều thuận (đối với phản ứng thuận nghịch). G > 0 phản ứng không xảy ra tại nhiệt độ khảo sát hoặc xảy ra theo chiều ngược lại (đối với phản ứng thuận nghịch).

BÀI TẬP:

1. Tính nhiệt đốt cháy của C 2 H 2 (k), biết nhiệt tạo thành tiêu chuẩn (Kcal/mol) của C 2 H 2 (k), CO 2 (k) và H 2 O(l) tương ứng là 54,3 ; -94,1 và -68,32. ĐS : -310,82 Kcal/mol

2. Tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 70g CO. Biết nhiệt tạo thành của CO và CO 2 tương ứng là -26,42 kcal/mol và -94,05 Kcal/mol. ĐS : -169,08 Kcal

3. Khử 80g Fe 2 O 3 (r) bằng Al giải phóng 426,3 kJ, đốt cháy 5,4g Al giải phóng 167,3 kJ. Tính Hott(Fe 2 O3 (r))? ĐS : -820,4 kJ /mol

4. Khi đốt cháy amoniac xảy ra phản ứng : 4NH 3 (k) + 3O 2 (k)  2N 2 (k) + 6 H 2 O(l) Biết rằng ở 25oC, 1atm , cứ tạo thành 4,89 lít khí N 2 thì thoát ra 153,06 kJ nhiệt lượng và Hott(H 2 O(l)) = -285,84 kJ /mol. Tính Hopứ và Hott(NH3 (k)) ĐS : -1530,6 kJ ; -46,11 kJ /mol

5. Phản ứng tổng cộng xảy ra trong lò cao là : Fe 2 O 3 (r) + 3CO(k)  2Fe(r) + 3CO 2 (k). Tính Hopứ biết Hott,298 của Fe 2 O 3 (r) , CO(k) , CO 2 (k) lần lượt là : -822,16 ; -110,55 ; -393,51 (kJ/mol). ĐS : -26,72 kJ

6. Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng : C(r) + H 2 O(k)  CO(k) + H 2 (k) Biết C(r) + 1/2O 2 (k)  CO (k) H 1 = -26,42 Kcal H 2 (k) + 1/2O 2 (k)  H 2 O (k) H 2 = -57,8 Kcal ĐS : 31,38 Kcal

7. Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng : 2KClO 3 (r)  3/2KClO 4 (r) + 1/2KCl(r) Biết KClO 3 (r)  KCl (r) + 3/2O 2 (k) H 1 = 49,4 kJ KClO 4 (r)  KCl (r) + 2O 2 (k) H 2 = 33 kJ ĐS : 49,3 kJ

8. Tính  H 0 của phản ứng ở 1500K:

C (graphit) + O 2 (k)  CO 2 (k) Hott,298 (kJ-1) 0 0 -393,

C 0 P (J.mol-1-1) 8,64 29,36 37, ĐS: -394,56 kJ

12. Cho phản ứng: CO 2 (k) + C(gr)  2CO(k) Hott,298 (kJ /mol) -393,51 – -110, So 298 (J/mol) 213,63 5,74 197, a) Tính H 0 , E 0 , S 0 , G 0 của phản ứng trên ở điều kiện chuẩn (25oC, 1atm). b) Tính nhiệt độ mà phản ứng tại đó đạt cân bằng (xem H, S không phụ thuộc nhiệt độ) ĐS : a) 172,47 kJ; 169,99 kJ; 175,75(J/K) ; 120,1 kJ ; b) 981,4K

13. Cho phản ứng :Cl 2 (k) + 2HI(k)  I 2 (r) + 2HCl(k) Hott,298 (kJ /mol) – 25,9 – -94, So 298 (J/mol) 222,7 206,1 116,6 186, a) Tính Ho 298 , Eo 298 , So 298 , Go 298 của phản ứng trên. b) Phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Ở điều kiện chuẩn phản ứng xảy ra theo chiều nào? ĐS : Ho 298 = -241 kJ, phản ứng tỏa nhiệt, Go 298 = -197,7 kJ, ở đkc phản ứng xảy ra theo chiều thuận

14. Tính Go và nhận xét chiều của phản ứng ở 298 và 1000K. (Xem H, S không phụ thuộc nhiệt độ) C(r) + H 2 O(k)  CO(k) + H 2 (k) Hott,298 (kJ/mol) – -241,82 -110,52 – So 298 (J/mol) 5,74 188,72 197,56 130, ĐS : Go 298 =91,47 kJ ; , Go 1000 = -2,37 kJ

15. Cho phản ứng NH 3 (k) + 5/4O 2 (k)  NO(k) + 3/2 H 2 O(l) Hott,298 (kJ/mol) -46,2 – 90,4 -285, So 298 (J/mol) 192,5 205,0 210,6 70, Ở điều kiện chuẩn phản ứng xảy ra theo chiều nào? Tính nhiệt độ để phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại (xem H, S không phụ thuộc nhiệt độ). ĐS : Go 298 = -252,42 kJ ; T > 1920,8oC

16. Khi khử Fe 2 O 3 (r) bằng Al (r) thì xảy ra phản ứng như sau: Fe 2 O 3 (r) + 2Al (r)  Al 2 O 3 (r) + 2 Fe (r) a) Tính Hopứ,298 biết rằng dưới áp suất 1 atm và 25oC cứ khử được 47,87 g Fe 2 O 3 thì thóat ra 253,132 kJ. b) Tính Hott,298 của Fe 2 O 3 biết Hott,298 của Al 2 O 3 = -1669, 79 kJ-1. ĐS: a) -843,77 kJ, b) -826,02 kJ/mol

17. Tính H 0 , U 0 , S 0 và G 0 của phản ứng ở 298K: C 2 H 2 (k) + 2H 2 O (l)  CH 3 COOH (l) + H 2 (k) Hott,298 (kJ-1) 226,91 -286,04 487,

S 2980 (J.mol-1-1) 200,96 69,99 159,94 130,

ĐS: 832,54 kJ, 832,54 kJ, -50,32 J/K, 847,54 kJ

21. Tính nhiệt tạo thành mol tiêu chuẩn của Ca(OH) 2 (r) biết nhiệt tạo thành mol tiêu chuẩn của CaO (r) là H 01 , nhiệt tạo thành mol tiêu chuẩn của H 2 O (l) là H 02 và nhiệt của phản ứng : CaO (r) + H 2 O (l)  Ca(OH) 2 (r) là H 03.

22. Cho phản ứng mA + nB  pC + qD Cho biết nhiệt tạo thành mol tiêu chuẩn của A, B, C, D lần lượt là a, b, c, d (kcal/mol). Entropy mol tiêu chuẩn của A, B, C, D lần lượt là a’, b’, c’, d’ (cal/mol). Tính H, S, U, q, w, G, KP, KC ở 25 oC, 1 atm và các chất A, B, C, D đều ở trạng thái khí.

23. Cho một phản ứng biết H, S của phản ứng lần lượt là x (kcal) và y (cal/K). Tìm nhiệt độ mà tại đó phản ứng đạt cân bằng theo x và y, giả sử H và S không phụ thuộc nhiệt độ.

24. Cho phản ứng 2NO 2 (k)  N 2 O 4 (k) Dự đoán dấu H và S của phản ứng trên. Giả sử H và S không phụ thuộc nhiệt độ, hãy biện luận chiều phản ứng ở nhiệt độ cao hơn và thấp hơn T 0 với T 0 là nhiệt độ tại đó phản ứng trên đạt cân bằng.

25. Cho sơ đồ sau:

Lập các biểu thức để từ đó có thể có đối với các đại lượng đã cho.

26. Ở nhiệt độ như thế nào thì dấu của H hay S quyết định chiều phản ứng (quyết định dấu G).

27. Ở nhiệt độ T 1 phản ứng có năng lượng tự do G 1. Ở nhiệt độ T 2 phản ứng có năng lượng tự do G 2. Lập biểu thức tính H, S của phản ứng biết rằng chúng không phụ thuộc nhiệt độ.

28. Cho phản ứng sau tại 25oC: C 2 H 2 (k) + 2H 2 O (l) ↔ CH 3 COOH (l) + H 2 (k) H 0 298, tt (kJ/mol) 226,91 -286,-4 -487, Cho biết G 0298 của phản ứng trên bằng -50,32 kJ. a) Tính H 0 , S 0 ,U 0 ,p của phản ứng trên ở 25 oC? b) Áp suất ảnh hưởng như thế nào đến chiều của phản ứng. c) Tìm nhiệt độ (nếu có) để phản ứng bắt đầu xảy ra theo chiều nghịch (giả sử H 0 , S 0 không phụ thuộc nhiệt độ).

ĐS: a) -142,2 kJ, -308,3 J/K, -142,2 kJ, 6,61 8 c) T=461,2K

A B C

D E F

H 1 H 2

H 3

H 4

H 7

H 6

H 5