Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 14: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học
Mở đầu trang 88 Hóa học 10: Methane cháy tỏa nhiệt lớn nên được dùng làm nhiên liệu. Khi trộn methane và oxygen với tỉ lệ thích hợp thì sẽ tạo ra hỗn hợp nổ.
Biến thiên enthalpy của phản ứng trên được tính toán dựa trên các giá trị nào?
Lời giải:
CH4(g) + 2O2(g) →t° CO2(g) + 2H2O(l)
Biến thiên enthalpy của phản ứng cháy của methane có thể được tính theo hai cách:
- Cách 1: Dựa vào năng lượng liên kết của các chất.
ΔrH298o=∑Eb(cd)−∑Eb(sp)
∆rH298o = Eb(CH4) + 2.Eb(O2) - Eb(CO2) - 2.Eb(H2O)
∆rH298o = 4.Eb(C-H) + 2.Eb(O=O) - 2. Eb(C=O) - 2.2.Eb(O-H)
- Cách 2: Dựa vào nhiệt tạo thành chuẩn của các chất.
ΔrH298o=∑ΔfH2980(sp)−∑ΔfH298o(cd)
∆rH298o = ∆fH298o(CO2) + 2.∆fH298o(H2O) - ∆fH298o(CH4) - 2.∆fH298o(O2)
1. Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết
Câu hỏi 1 trang 88 Hóa học 10: Quan sát Hình 14.1 cho biết liên kết hóa học nào bị phá vỡ, liên kết hóa học nào được hình thành khi H2 phản ứng với O2 tạo thành H2O (ở thể khí)?
Lời giải:
Khi H2 phản ứng với O2 tạo thành H2O (ở thể khí) liên kết H-H và O=O bị phá vỡ, liên kết H -O-H được hình thành.
Câu hỏi 2 trang 89 Hóa học 10: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết phải viết được công thức cấu tạo của tất cả các chất trong phản ứng để xác định số lượng và loại liên kết. Xác định số lượng mỗi loại liên kết trong các phân tử sau: CH4, CH3Cl, NH3, CO2.
Lời giải:
Câu hỏi 3 trang 89 Hóa học 10: Dựa vào năng lượng liên kết ở Bảng 14.1, tính biến thiên enthalpy của phản ứng và giải thích vì sao nitrogen (N≡N) chỉ phản ứng với oxygen (O=O) ở nhiệt độ cao hoặc có tia lửa điện để tạo thành nitrogen monoxide (N=O).
N2(g) + O2(g) →t°/ tia lua dien2NO(g)
Lời giải:
N2(g) + O2(g) →t°/ tia lua dien2NO(g)
∆ rH298o = Eb(N2) + Eb(O2) - 2Eb(NO)
∆ rH298o = Eb(N≡N) + Eb(O=O) - 2Eb(N=O)
∆ rH298o = 945 + 498 - 2.607 = 229 kJ > 0
⇒ Cần thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc có tia lửa điện thì phản ứng mới xảy ra.
Luyện tập trang 89 Hóa học 10: Xác định ∆ rH298o của phản ứng sau dựa vào giá trị Eb ở Bảng 14.1:
CH4(g) + Cl2(g) →a sktCH3Cl(g) + HCl(g)
Hãy cho biết phản ứng trên tỏa nhiệt hay thu nhiệt?
Lời giải:
∆ rH298o = Eb(CH4) + Eb(Cl2) - Eb(CH3Cl) - Eb(HCl)
∆ rH298o = 4.Eb(C-H) + Eb(Cl-Cl) - 3Eb(C-H) - Eb(C-Cl) - Eb(H-Cl)
∆ rH298o = 4.413 + 243 - 3.413 - 339 - 427
∆ rH298o = -110 kJ < 0
⇒ Phản ứng tỏa nhiệt.
Vận dụng trang 90 Hóa học 10: Dựa vào số liệu về năng lượng liên kết ở Bảng 14.1, hãy tính biến thiên enthalpy của 2 phản ứng sau:
2H2(g) + O2(g) →t° 2H2O(g) (1)
C7H16(g) + 11O2(g) →t° 7CO2(g) + 8H2O(g) (2)
So sánh kết quả thu được, từ đó cho biết H2 hay C7H16 là nhiên liệu hiệu quả hơn cho tên lửa (biết trong C7H16 có 6 liên kết C-C và 16 liên kết C-H)
Lời giải:
2H2(g) + O2(g) →t°2H2O(g) (1)
∆ rH298o(1) = 2.Eb(H2) + Eb(O2) - 2.Eb(H2O)
∆ rH298o(1) = 2.Eb(H-H) + Eb(O=O) - 2.2.Eb(O-H)
∆ rH298o(1) = 2.432 + 498 - 2.2.467 = -506 kJ
C7H16(g) + 11O2(g) →t07CO2(g) + 8H2O(g) (2)
∆ rH298o(2) = Eb(C7H16) + 11.Eb(O2) - 7.Eb(CO2) - 8.Eb(H2O)
∆ rH298o(2) = 6.Eb(C-C) + 16Eb(C-H) + 11.Eb(O=O) - 7.2.Eb(C=O) - 8.2.Eb(O-H)
∆ rH298o(2) = 6.347 + 16.413 + 11.498 - 7.2.745 - 8.2.467 = -3734 kJ
Ta thấy: ∆ rH298o(2) < ∆ rH298o(1) ⇒ Phản ứng (2) xảy ra thuận lợi hơn phản ứng (1)
⇒ C7H16 là nhiên liệu hiệu quả hơn cho tên lửa.
Luyên tập trang 90 Hóa học 10: Tính ∆ rH298o của hai phản ứng sau:
3O2(g) → 2O3(g) (1)
2O3(g) → 3O2(g) (2)
Liên hệ giữa giá trị ∆ rH298o với độ bền của O3, O2 và giải thích, biết phân tử O3 gồm 1 liên kết đôi O=O và 1 liên kết đơn O-O.
Lời giải:
3O2(g) → 2O3(g) (1)
∆ rH298o(1) = 3.Eb(O2) - 2.Eb(O3)
∆ rH298o(1) = 3.Eb(O=O) - 2.[Eb(O-O) + Eb(O=O)]
∆ rH298o(1) = 3.498 - 2.(204 + 498) = 90 kJ
2O3(g) → 3O2(g) (2)
∆ rH298o(2) = 2.Eb(O3) - 3.Eb(O2)
∆ rH298o(2) = 2.[Eb(O-O) + Eb(O=O)] - 3.Eb(O=O)
∆ rH298o(2) = 2.(204 + 498) - 3.498 = -90 kJ
Dựa vào kết quả tính toán cho thấy quá trình: 3O2 → 2O3 có ∆ rH298o > 0 chứng tỏ không có khả năng tồn tại. Quá trình: 2O3 → 3O2 có ∆ rH298o < 0, chứng tỏ khả năng tồn tại của O2, do đó O2 là trạng thái bền của nguyên tố oxygen.
2. Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào enthalpy tạo thành
Vận dụng trang 91 Hóa học 10: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng phân hủy trinitroglycerin (C3H5O3(NO2)3), theo phương trình sau (biết nhiệt tạo thành của nitroglycerin là -370,15 kJ/mol):
4C3H5O3(NO2)3(s) → 6N2(g) + 12CO2(g) + 10H2O(g) + O2(g)
Hãy giải thích vì sao trinitroglycerin được ứng dụng làm thành phần thuốc súng không khói.
Lời giải:
4C3H5O3(NO2)3(s) → 6N2(g) + 12CO2(g) + 10H2O(g) + O2(g)
∆ rH298o = 6.∆ fH298o(N2) + 12. ∆ fH298o(CO2) + 10. ∆ fH298o(H2O) + ∆ fH298o(O2) - 4. ∆ fH298o(C3H5O3(NO2)3)
∆ rH298o = 6.0 + 12.(-393,50) + 10.(-241,82) + 0 - 4.(-370,15) = -5659,6 kJ < < 0
⇒ Phản ứng tỏa lượng nhiệt rất lớn tạo ra các chất khí là CO2, H2O, N2 và O2 nên trinitroglycerin được ứng dụng làm thành phần thuốc súng không khói.
Câu hỏi 4 trang 91 Hóa học 10: Giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng có liên quan tới hệ số các chất trong phương trình nhiệt hóa học không? Giá trị enthalpy tạo thành thường được đo ở điều kiện nào?
Lời giải:
- Giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng có liên quan tới hệ số các chất trong phương trình nhiệt hóa học.
- Giá trị enthalpy tạo thành thường được đo ở điều kiện chuẩn: Áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol/L (đối với chất tan trong dung dịch) và thường chọn nhiệt độ 25oC (hay 298K).
Luyện tập trang 91 Hóa học 10: Dựa vào giá trị enthalpy tạo thành ở Bảng 13.1, hãy tính giá trị ∆ rH298o của các phản ứng sau:
CS2(l) + 3O2(g) →toCO2(g) + 2SO2(g) (1)
4NH3(g) + 3O2(g) →to2N2(g) + 6H2O(g) (2)
Lời giải:
CS2(l) + 3O2(g) →to CO2(g) + 2SO2(g) (1)
∆ rH298o(1) = 1.∆ fH298o(CO2) + 2.∆ fH298o(SO2) - 1.∆ fH298o(CS2) - 3.∆ fH298o(O2)
∆ rH298o(1) = -393,50 + 2.(-296,80) - 1.87,90 - 3.0 = -1075 kJ
4NH3(g) + 3O2(g) →to 2N2(g) + 6H2O(g) (2)
∆ rH298o(2) = 2.∆ fH298o(N2) + 6.∆ fH298o(H2O) - 4.∆ fH298o(NH3) - 3.∆ fH298o(O2)
∆ rH298o(2) = 2.0 + 6.(-241,82) - 4.(-45,9) - 3.0 = -1267,32 kJ
Bài 1 trang 92 Hóa học 10: Tính ∆ rH298o của các phản ứng sau dựa theo năng lượng liên kết (sử dụng số liệu từ Bảng 14.1):
a) N2H4(g) → N2(g) + 2H2(g)
b) 4HCl(g) + O2(g) →to 2Cl2(g) + 2H2O(g)
Lời giải:
a) N2H4(g) → N2(g) + 2H2(g)
∆ rH298o = Eb(N2H4) - Eb(N2) - 2.Eb(H2)
∆ rH298o = Eb(N-N) + 4.Eb(N-H) - Eb(N≡N) - 2.Eb(H-H)
∆ rH298o = 163 + 4.391 - 945 - 2.432 = -82 kJ
b) 4HCl(g) + O2(g) →to 2Cl2(g) + 2H2O(g)
∆ rH298o = 4.Eb(HCl) + Eb(O2) - 2Eb(Cl2) - 2Eb(H2O)
∆ rH298o = 4.Eb(H-Cl) + Eb(O=O) - 2.Eb(Cl-Cl) - 2.2.Eb(O-H)
∆ rH298o = 4.427 + 498 -2.243 - 2.2.467 = -148 kJ
Bài 2 trang 92 Hóa học 10: Dựa vào Bảng 13.1, tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol benzene C6H6(l) trong khí oxygen, tạo thành CO2(g) và H2O(l). So sánh lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g propane C3H8(g) với lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g benzenne C6H6(l).
Lời giải:
C6H6(l) + 152O2(g) →to 6CO2(g) + 3H2O(l)
∆ rH298o = 6.∆ fH298o(CO2) + 3. ∆ fH298o(H2O) - ∆ fH298o(C6H6) - 152∆ fH298o(O2)
∆ rH298o = 6.(-393,50) + 3.(-285,84) - (+49,00) - 152.0
∆ rH298o = -3267,52 kJ
1,0 gam C6H6(l) ứng với 178 mol C6H6(l)
Đốt cháy 1 mol C6H6(l) tỏa ra 3267,52 kJ nhiệt lượng
⇒ Đốt cháy 178 mol C6H6(l) tỏa ra là 178.3267,52 = 41,89 kJ nhiệt lượng
C3H8(g) + 5O2(g) →to 3CO2(g) + 4H2O(l)
∆ rH298o = 3.∆ fH298o(CO2) + 4. ∆ fH298o(H2O) - ∆ fH298o(C3H8) - 5.∆ fH298o(O2)
∆ rH298o = 3.(-393,50) + 4.(-285,84) - (-105,00) - 5.0
∆ rH298o = -2218,86 kJ
1,0 gam C3H8(g) ứng với 144 mol C3H8(g)
Đốt cháy 1 mol C3H8(g) tỏa ra 2218,86 kJ nhiệt lượng
⇒ Đốt cháy 144 mol C3H8(g) tỏa ra là 144.2218,86 = 50,43 kJ nhiệt lượng
Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g propane C3H8(g) nhiều hơn khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g benzenne C6H6(l).
Bài 3 trang 93 Hóa học 10: Dựa vào enthalpy tạo thành ở Bảng 13.1, tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng nhiệt nhôm:
2Al(s) + Fe2O3(s) →to 2Fe(s) + Al2O3(s)
Từ kết quả tính được ở trên, hãy rút ra ý nghĩa của dấu và giá trị ∆ rH298o đối với phản ứng.
Lời giải:
2Al(s) + Fe2O3(s) →to 2Fe(s) + Al2O3(s)
∆ rH298o = 2.∆ fH298o(Fe) + ∆ fH298o(Al2O3) - 2. ∆ fH298o(Al) - ∆ fH298o(Fe2O3)
∆ rH298o = 2.0 + (-1676,00) - 2.0 - (-825,5)
∆ rH298o = -850,5 kJ < 0
⇒ Phản ứng nhiệt nhôm sinh ra một lượng nhiệt rất lớn.
Bài 4 trang 93 Hóa học 10: Cho phương trình nhiệt hóa học sau:
SO2(g) + 12O2(g) →t°, V2O5 SO3(g) ∆ rH298o = -98,5 kJ
a) Tính lượng nhiệt giải phóng ra khi chuyển 74,6 g SO2 thành SO3.
b) Giá trị ∆ rH298o của phản ứng: SO3(g) → SO2(g) + 12O2(g) là bao nhiêu?
Lời giải:
a) 74,6 g SO2 tương ứng với 74,664 mol SO2
Đốt cháy hoàn toàn 1 mol SO2(g) sinh ra 98,5 kJ nhiệt lượng
⇒ Đốt cháy hoàn toàn 74,664 mol SO2(g) sinh ra 98,5. 74,664 = 114,81 kJ nhiệt lượng
b) Lượng nhiệt giải phóng ra khi chuyển 1 mol SO2 thành 1 mol SO3 là 98,5 kJ
⇒ Lượng nhiệt cần cung cấp để phân hủy 1 mol SO3 là 98,5 kJ
⇒ Giá trị ∆ rH298o của phản ứng: SO3(g) → SO2(g) + 12O2(g) là +98,5 kJ.
Bài 5 trang 93 Hóa học 10: Khí hydrogen cháy trong không khí tạo thành nước theo phương trình hóa học sau:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) ∆ rH298o = -483,64 kJ
a) Nước hay hỗn hợp của oxygen và hydrogen có năng lượng lớn hơn? Giải thích.
b) Vẽ sơ đồ biến thiên năng lượng của phản ứng giữa hydrogen và oxygen.
Lời giải:
a) ∆ rH298o = Σ∆ fH298o(sp) - Σ ∆ fH298o(cđ) < 0
⇔ Σ∆ fH298o(sp) < Σ ∆ fH298o(cđ)
Vậy hỗn hợp của oxygen và hydrogen có năng lượng lớn hơn nước.
b) Sơ đồ biến thiên năng lượng của phản ứng giữa hydrogen và oxygen.
Bài 6 trang 93 Hóa học 10: Xét quá trình đốt cháy khí propane C3H8(g):
C3H8(g) + 5O2(g) →to 3CO2(g) + 4H2O(g)
Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào nhiệt tạo thành của hợp chất (Bảng 13.1) và dựa vào năng lượng liên kết (Bảng 14.1). So sánh hai giá trị đó và rút ra kết luận.
Lời giải:
C3H8(g) + 5O2(g) →to 3CO2(g) + 4H2O(g)
Tính theo nhiệt tạo thành của hợp chất:
∆ rH298o = 3.∆ fH298o(CO2) + 4. ∆ fH298o(H2O) - ∆ fH298o(C3H8) - 5.∆ fH298o(O2)
∆ rH298o = 3.(-393,50) + 4.(-241,82) - (-105,00) - 5.0
∆ rH298o = -2042,78 kJ
Tính theo năng lượng liên kết:
∆ rH298o = Eb(C3H8) + 5.Eb(O2) - 3Eb(CO2) - 4Eb(H2O)
∆ rH298o = 2.Eb(C-C) + 8.Eb(C-H) + 5.Eb(O=O) -3.2.Eb(C=O) - 4.2.Eb(O-H)
∆ rH298o = 2.347 + 8.413 + 5.498 - 3.2.745 - 4.2.467
∆ rH298o = -1718 kJ
Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào nhiệt tạo thành có giá trị âm hơn so với biến thiên enthalpy chuẩn dựa vào năng lượng liên kết.
Lý thuyết Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học
I. Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết
- Phản ứng hóa học xảy ra khi có sự phá vỡ các liên kết hóa học của chất đầu (cđ) và hình thành các liên kết hóa học của sản phẩm (sp). Sự phá vỡ các liên kết cần cung cấp năng lượng, sự hình thành các liên kết lại giải phóng năng lượng.
- Cho phản ứng tổng quát ở điều kiện chuẩn:
aA (g) + bB (g) → mM (g) + nN (g)
Tính ΔrH298ocủa phản ứng khi biết các giá trị năng lượng liên kết (Eb) theo công thức:
ΔrH298o=a×Eb(A)+b×Eb(B)−m×Eb(M)−n×Eb(N)
Hay tổng quát: ΔrH298o=∑Eb(cd)−∑Eb(sp)
Với ∑Eb (cđ); ∑Eb (sp): tổng năng lượng liên kết trong phân tử chất đầu và sản phẩm của phản ứng.
- Ví dụ: Dựa vào bảng năng lượng liên kết (phía trên) tính biến thiên enthalpy của phản ứng: 3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)
ΔrH298o=∑Eb(cd)−∑Eb(sp)
= 3.Eb(H2) + Eb(N2) - 2.Eb(NH3)
= 3.Eb(H-H) + Eb(N≡N) - 2.3.Eb(N-H)
= 3.432 + 945 - 2.3.391
= -105 kJ < 0 ⇒ Phản ứng tỏa nhiệt
Chú ý: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết được áp dụng cho phản ứng trong đó các chất đều có liên kết cộng hóa trị ở thể khí khi biết giá trị năng lượng liên kết của tất cả các chất trong phản ứng.
II. Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào enthalpy tạo thành
- Cho phương trình hóa học tổng quát:
aA + bB → mM + nN
ΔrH298o=m×ΔfH298o(M)+n×ΔfH298o(N)−a×ΔfH298o(A)−b×ΔfH298o(B)
- Tổng quát: ΔrH298o=∑ΔfH298o(sp)−∑ΔfH298o (cd)
Với ∑ΔfH298o(sp); ∑ΔfH298o (cd): tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn tương ứng của sản phẩm và chất đầu của phản ứng.
- Ví dụ: Tính ∆rH298o phản ứng đốt cháy hoàn toàn benzene C6H6(l) trong khí oxygen.
C6H6(l) + 152O2(g) →t° 6CO2(g) + 3H2O(l)
∆ rH298o = 6.∆ fH298o(CO2) + 3. ∆ fH298o(H2O) - ∆ fH298o(C6H6) - 152∆ fH298o(O2)
∆ rH298o = 6.(-393,50) + 3.(-285,84) - (+49,00) - 152.0
∆ rH298o = -3267,52 kJ
Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:
Bài 9: Liên kết ion
Bài 10: Liên kết cộng hóa trị
Bài 11: Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals
Bài 12: Phản ứng oxi hóa - khử và ứng dụng trong cuộc sống
Bài 13: Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học
Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:
Lý thuyết Bài 14: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học