Giải Hóa 10 Bài 14 ( Cánh diều): Phản ứng hóa học và enthalpy

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Video giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Mở đầu trang 77 Hóa học 10: Cho các phản ứng sau:

(1) Phản ứng nung vôi: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)

(2) Phản ứng than cháy trong không khí: C(s) + O₂(g) → CO₂(g)

Trong hai phản ứng trên, phản ứng nào là tỏa nhiệt, phản ứng nào là thu nhiệt?

Trả lời:

Phản ứng nung vôi là phản ứng thu nhiệt

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) ∆ _r$H_{298}^o$ = 178,29 kJ

Để thu được 1 mol CaO(s), cần cung cấp 178,29 kJ nhiệt lượng để chuyển 1 mol CaCO₃(s) thành CaO(s)

Phản ứng than cháy trong không khí là phản ứng tỏa nhiệt

C(s) + O₂(g) → CO₂(g) ∆ _r$H_{298}^o$ = -393,5 kJ

Đốt cháy 1 mol C trong không khí tỏa ra 393,5 kJ nhiệt lượng

I. Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt

Thực hành trang 77 Hóa học 10: Thực hiện hai thí nghiệm dưới đây:

Thí nghiệm 1: Đặt một nhiệt kế vào trong cốc thủy tinh chứa khoảng 50 ml dung dịch hydrochloric acid (HCl) 1M (hình 14.1). Khi nhiệt độ trong cốc ổn định, ghi nhiệt độ ban đầu. Thêm vào cốc khoảng 1 gam magnesium oxide (MgO) rồi dùng đũa thủy tinh khuấy liên tục. Quan sát hiện tượng phản ứng và ghi lại sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng.

Thí nghiệm 2: Lặp lại thí nghiệm với bộ dụng cụ và cách tiến hành như trên, nhưng thay dung dịch hydrochloric acid (HCl) 1M bằng khoảng 50 ml dung dịch ethanoic acid (CH₃COOH) 5% (giấm ăn) và khoảng 5 gam baking soda (sodium hydrogen carbonate, NaHCO₃). Quan sát hiện tượng phản ứng và ghi lại sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng.

Viết phương trình hóa học xảy ra ở hai thí nghiệm trên và cho biết phản ứng nào là tỏa nhiệt, phản ứng nào là thu nhiệt.

Trả lời:

Học sinh làm thí nghiệm và ghi lại sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng.

Thí nghiệm 1:

Phương trình hóa học: MgO(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)

Hiện tượng: MgO tan trong dung dịch HCl.

Thí nghiệm 2:

Phương trình hóa học:

CH₃COOH (aq) + NaHCO₃ (s) → CH₃COONa (aq) + H₂O (l) + CO₂ (g)

Hiện tượng: Bột baking soda (sodium hydrogen carbonate, NaHCO₃) tan trong dung dịch giấm ăn (CH₃COOH), có khí không màu, không mùi thoát ra.

Câu hỏi 1 trang 78 Hóa học 10: Khi làm thí nghiệm, làm thế nào là biết một phản ứng là tỏa nhiệt hay thu nhiệt?

Trả lời:

Khi làm thí nghiệm, ta có thể theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình phản ứng bằng nhiệt kế để biết một phản ứng là tỏa nhiệt hay thu nhiệt.

- Nếu nhiệt độ của hệ phản ứng tăng (giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt) thì đó là phản ứng tỏa nhiệt.

- Nếu nhiệt độ của hệ phản ứng giảm (hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt) thì đó là phản ứng thu nhiệt.

Vận dụng 1 trang 78 Hóa học 10: Dự đoán các phản ứng sau đây là tỏa nhiệt hay thu nhiệt?

a) Nung NH₄Cl(s) tạo ra HCl(g) và NH₃(g).

b) Cồn cháy trong không khí.

c) Phản ứng thủy phân collagen thành gelatin (là một loại protein dễ tiêu hóa) diễn ra khi hầm xương động vật.

Trả lời:

Dự đoán:

a) Nung NH₄Cl(s) tạo ra HCl(g) và NH₃(g) là phản ứng thu nhiệt

b) Cồn cháy trong không khí là phản ứng tỏa nhiệt

c) Phản ứng thủy phân collagen thành gelatin (là một loại protein dễ tiêu hóa) diễn ra khi hầm xương động vật là phản ứng thu nhiệt.

Vận dụng 2 trang 78 Hóa học 10: Lấy ví dụ một số phản ứng xảy ra trong tự nhiên có kèm theo sự tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt mà em biết

Trả lời:

- Phản ứng đốt cháy than, đốt cháy khí gas; phản ứng tạo gỉ sắt; phản ứng oxi hóa glucose trong cơ thể … là phản ứng tỏa nhiệt.

- Phản ứng trong lò nung vôi, nung clinker xi măng… là phản ứng thu nhiệt.

II. Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

1. Enthalpy tạo thành chuẩn của một chất hóa học

Câu hỏi 2 trang 79 Hóa học 10: Nhiệt tỏa ra hình hình thành 1 mol Na₂O(s) ở điều kiện chuẩn từ phản ứng giữa Na(s) và O₃(g) có được coi là nhiệt tạo thành chuẩn của Na₂O(s) không? Giả sử Na tác dụng được với O₃ thu được Na₂O.

Trả lời:

Nhiệt tỏa ra hình hình thành 1 mol Na₂O(s) ở điều kiện chuẩn từ phản ứng giữa Na(s) và O₃(g) không được coi là nhiệt tạo thành chuẩn của Na₂O(s).

Vì nhiệt tạo thành chuẩn của một chất là lượng nhiệt kèm theo của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền nhất trong điều kiện chuẩn.

Mà oxygen dạng nguyên tử O và phân tử O₃ kém bền hơn phân tử O₂

Nhiệt tỏa ra hình hình thành 1 mol Na₂O(s) ở điều kiện chuẩn từ phản ứng giữa Na(s) và O₂(g) mới được coi là nhiệt tạo thành chuẩn của Na₂O(s)

Câu hỏi 3 trang 79 Hóa học 10: Trong ví dụ 1, ở cùng điều kiện phản ứng, nếu chỉ thu được 0,5 mol Na₂O thì lượng nhiệt tỏa ra là bao nhiêu kilôJun?

Trả lời:

1 mol Na₂O giải phóng 418 kJ

0,5 mol Na₂O ⇒ giải phóng 418.0,5 = 209 kJ

Câu hỏi 4 trang 79 Hóa học 10: Vì sao enthalpy tạo thành của một đơn chất bền lại bằng 0?

Trả lời:

- Enthalpy tạo thành chuẩn (hay nhiệt tạo thành chuẩn) của một chất là lượng nhiệt kèm theo của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền nhất trong điều kiện chuẩn.

- Đơn chất bền nên không có sự biến đổi, enthalpy tạo thành bằng 0.

2. Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng hóa học

Câu hỏi 5 trang 80 Hóa học 10: Giá trị ∆ _r$H_{298}^o$ của phản ứng sau là bao nhiêu kilôJun?

$\frac{1}{2}$CH₄(g) + O₂(g) → $\frac{1}{2}$CO₂(g) + H₂O(l)

Trả lời:

Ở điều kiện chuẩn

Khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH₄ sẽ giải phóng một nhiệt lượng là 890,5 kJ

Đốt cháy hoàn toàn 0,5 mol CH₄ sẽ giải phóng một nhiệt lượng là $\frac{890,5}{2}$ = 445,25 kJ

Vậy $\frac{1}{2}$CH₄(g) + O₂(g) → $\frac{1}{2}$CO₂(g) + H₂O(l) ∆ _r$H_{298}^o$ = - 445,25 kJ

Luyện tập 1 trang 80 Hóa học 10: Đốt cháy hoàn toàn 1 gam C₂H₂(g) ở điều kiện chuẩn, thu được CO₂(g) và H₂O(l), giải phóng 50,01 kJ. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy 1 mol C₂H₂.

Trả lời:

1 gam C₂H₂(g) tương ứng với $\frac{1}{26}$ mol C₂H₂(g)

Đốt cháy hoàn toàn $\frac{1}{26}$ mol C₂H₂(g) giải phóng 50,01 kJ nhiệt lượng

Vật đốt cháy hoàn toàn 1 mol C₂H₂ sẽ giải phóng 50,01.26 = 1300,26 kJ nhiệt lượng

Phản ứng: C₂H₂(g) + $\frac{5}{2}$O₂(g) → 2CO₂(g) + H₂O(l) ∆ _r$H_{298}^o$ = -1300,26 kJ

Luyện tập 2 trang 80 Hóa học 10: Ở điều kiện chuẩn, cần phải đốt cháy hoàn toàn bao nhiêu gam CH₄(g) để cung cấp nhiệt cho phản ứng tạo 1 mol CaO(s) bằng cách nung CaCO₃(s). Giả thiết hiệu suất các quá trình đều là 100%.

Trả lời:

Để thu được 1 mol CaO(s) cần phải cung cấp 179,2 kJ nhiệt lượng.

Khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH₄ sẽ giải phóng một nhiệt lượng là 890,5 kJ

Vậy cần đốt cháy $\frac{179,2}{890,5}$ mol CH₄ sẽ giải phóng một nhiệt lượng là 179,2 kJ

Khối lượng CH₄ cần lấy là $\frac{179,2}{890,5}$.16 = 3,2 gam

Vận dụng 3 trang 80 Hóa học 10: Sự hô hấp cung cấp oxygen cho các phản ứng oxi hóa chất béo, chất đường, tinh bột,… trong cơ thể con người. Đó là các phản ứng giải phóng hay hấp thụ năng lượng? Năng lượng kèm theo các phản ứng này dùng để làm gì?

Trả lời:

Sự hô hấp cung cấp oxygen cho các phản ứng oxi hóa chất béo, chất đường, tinh bột,… trong cơ thể con người. Đó là các phản ứng giải phóng năng lượng. Năng lượng kèm theo các phản ứng này dùng để cung cấp cho các hoạt động sống của cơ thể.

Bài tập (trang 81)

Bài 1 trang 81 Hóa học 10: Những loại phản ứng nào sau đây cần phải cung cấp năng lượng trong quá trình phản ứng?

(a) Phản ứng tạo gỉ kim loại. (b) Phản ứng quang hợp.

(c) Phản ứng nhiệt phân. (d) Phản ứng đốt cháy.

Trả lời:

Chọn (b), (c)

Phản ứng quang hợp và phản ứng nhiệt phân cần phải cung cấp năng lượng trong quá trình phản ứng.

Phản ứng tạo gỉ kim loại và phản ứng đốt cháy là phản ứng tỏa nhiệt.

Bài 2 trang 81 Hóa học 10: Một số phản ứng khi xảy ra sẽ làm nóng môi trường xung quanh, một số khác lại làm lạnh môi trường xung quanh. Em hãy cho biết sự khác biệt cơ bản giữa hai loại phản ứng này.

Trả lời:

Một số phản ứng khi xảy ra sẽ làm nóng môi trường xung quanh tức là phản ứng xảy ra kèm theo giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt ⇒ Phản ứng tỏa nhiệt.

Một số phản ứng khi xảy ra sẽ làm lạnh môi trường xung quanh tức là phản ứng hấp thu năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường xung quanh. ⇒ Phản ứng thu nhiệt

Bài 3 trang 81 Hóa học 10: Cho biết phản ứng sau có ∆ _r$H_{298}^o$ > 0 và diễn ra ở ngay nhiệt độ phòng.

2NH₄NO₃(s) + Ba(OH)₂.8H₂O(s) → 2NH₃(aq) + Ba(NO₃)₂ (aq) + 10H₂O(l)

Khi trộn đều một lượng ammonium nitrate (NH₄NO₃) rắn với một lượng barium hydroxide ngậm nước (Ba(OH)₂.8H₂O) ở nhiệt độ phòng thì nhiệt độ của hỗn hợp sẽ tăng hay giảm? Giải thích.

Trả lời:

∆ _r$H_{298}^o$ > 0 ⇒ Phản ứng thu nhiệt ⇒ Nhiệt độ của phản ứng giảm.

Bài 4 trang 81 Hóa học 10: Cho biết phản ứng tạo thành 2 mol HCl(g) ở điều kiện chuẩn sau đây tỏa ra 184,6 kJ:

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g) (*)

Những phát biểu nào dưới đây là đúng?

(a) Nhiệt tạo thành của HCl là -184,6 kJ mol^-1

(b) Biến thiên enthalpy của phản ứng (*) là -184,6 kJ.

(c) Nhiệt tạo thành chuẩn của HCl (g) là -92,3 kJ mol^-1

(d) Biến thiên enthalpy phản ứng (*) là -92,3 kJ

Trả lời:

Phát biểu (b) và (c) là đúng

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g) (*) ∆ _r$H_{298}^o$ = - 184,6 kJ

Tính enthalpy tạo thành chuẩn của HCl dựa vào enthalpy của phản ứng:

∆ _r$H_{298}^o$ = 2. ∆ _f$H_{298}^o$(HCl(g)) - ∆ _r$H_{298}^o$(H₂(g)) - ∆ _r$H_{298}^o$(H₂(g))

⇔ - 184,6 = 2. ∆ _f$H_{298}^o$(HCl(g)) – 0 – 0

⇒ ∆ _f$H_{298}^o$(HCl(g)) = -92,3 kJ mol^-1

Lý thuyết Phản ứng hóa học và enthalpy

I. Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt

Các phản ứng hóa học khi xảy ra luôn kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng. Năng lượng này gọi là năng lượng hóa học.

- Phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt gọi là phản ứng tỏa nhiệt.

Ví dụ: Cho vôi sống (CaO) tác dụng với nước sinh ra Ca(OH)₂, phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

CaO(s) + H₂O(l) $\stackrel{}{\to }$ Ca(OH)₂(s)

- Phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt gọi là phản ứng thu nhiệt.

Ví dụ: Nung đá vôi thu được vôi sống và khí CO₂, phản ứng thu nhiệt.

CaCO₃(s) $\stackrel{}{\to }$ CaO(s) + CO₂(g)

- Các phản ứng kèm theo sự thay đổi năng lượng dạng nhiệt rất phổ biến trong tự nhiên.

+ Phản ứng đốt cháy nhiên liệu (than, gỗm cồn, ...), phản ứng tạo gỉ sắt, phản ứng oxi hóa glucose trong cơ thể, ...

+ Phản ứng trong lò nung vôi, nung clinker xi măng, ... là các phản ứng thu nhiệt.

- Với cùng một phản ứng, ở điều kiện khác nhau về nhiệt độ, áp suất thì lượng nhiệt kèm theo cũng khác nhau.

- Để thuận tiện cho việc so sánh lượng nhiệt kèm theo, người ta sử dụng điều kiện chuẩn và quy định như sau:

Điều kiện chuẩn là điều kiện ứng với áp suất 1 bar (đối với chất khí), nồng độ 1 mol L^-1 (đối với chất tan trong dung dịch) và nhiệt độ thường được chọn là 298K (25^oC).
Lưu ý: Kí hiệu thể của chất

g (gas): chất khí

s (solid): chất rắn

l (liquid): chất lỏng

aq (aqueous): chất tan trong nước

II. Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

1. Enthalpy tạo thành chuẩn của một chất hóa học

- Enthalpy tạo thành chuẩn (hay nhiệt tạo thành chuẩn) của một chất, kí hiệu là Δ_f$H_{298}^0,$là lượng nhiệt kèm theo của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền nhất trong điều kiện chuẩn.

- Khi phản ứng tỏa nhiệt Δ_f $H_{298}^0$< 0.

- Khi phản thu tỏa nhiệt Δ_f $H_{298}^0$> 0.

Ví dụ 1: Ở điều kiện chuẩn, phản ứng của 1 mol Na (thể rắn) với 0,5 mol Cl₂ (thể khí) thu được 1 mol NaCl (thể rắn) và giải phóng 411,2 kJ nhiệt. Biết rằng, ở điều kiện chuẩn, Na thể rắn bền hơn Na ở thể lỏng; chlorine dạng phân tử Cl₂ bền hơn dạng nguyên tử Cl.

Ta nói enthalpy tạo thành của NaCl rắn ở điều kiện chuẩn là - 411,2 kJ mol^-1. Phản ứng trên được biểu diễn như sau:

Na(s) + $\frac{1}{2}$Cl₂(g) $\stackrel{}{\to }$ NaCl(s) Δ_f $H_{298}^0$= - 411,2 kJmol^-1

Ví dụ 2: Ở điều kiện chuẩn, cần phải cung cấp 91,3 kJ nhiệt lượng cho quá trình 0,5 mol N₂(g) phản ứng với 0,5 mol O₂(g) để thu được 1 mol NO(g).

Như vậy, enthalpy tạo thành chuẩn của NO ở thể khí là 91,3 kJmol^-1. Phản ứng trên được biểu diễn như sau:

N₂(s) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ NO(g) Δ_f $H_{298}^0$= 91,3 kJmol^-1

Lưu ý: Enthalpy tạo thành chuẩn của các đơn chất bền nhất đều bằng 0.

Ví dụ: Δ_f $H_{298}^0$(Na(_s)) = 0 kJmol^-1 Δ_f $H_{298}^0$(Cl₂(_g)) = 0 kJmol^-1

2. Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng hóa học

- Khái niệm: Biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hóa học, kí hiệu là Δ_r $H_{298}^0$ hính là lượng nhiệt (tỏa ra hoặc thu vào) của phản ứng đó ở điều kiện chuẩn.

Ví dụ 1: Phản ứng đốt cháy ethanol (C₂H₅OH) tỏa rất nhiều nhiệt.

C₂H₅OH(l) + 3O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2CO₂(g) + 3H₂O(l) Δ_{r$H_{298}^0$}= -1368 kJmol^-1

Như vậy, ở điều kiện chuẩn khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol C₂H₅OH, sản phẩm là CO₂(g) và H₂O(l), thì sẽ giải phóng một lượng nhiệt là 1368 kJ.

Lưu ý: Cũng phản ứng này, nếu nước ở thể hơi thì giá trị Δ_{r$H_{298}^0$}sẽ khác đi. Đây là lí do cần phải ghi rõ thể của các chất khi viết phương trình các phản ứng có kèm theo giá trị Δ_{r$H_{298}^0$}

Ví dụ 2: Phản ứng nhiệt phân CuO là phản ứng thu nhiệt:

2CuO(s) $\stackrel{}{\to }$ Cu₂O(s) + $\frac{1}{2}$O₂(g) Δ_{r$H_{298}^0$}= 287,4 kJmol^-1

Ở điều kiện chuẩn, để thu được 1 mol Cu₂O(s) từ CuO(s), cần phải cung cấp 287,4 kJ nhiệt lượng.

Ví dụ 3: Phản ứng trung hòa giữa NaOH và HCl là phản ứng tỏa nhiệt.

NaOH(aq) + HCl(aq) $\stackrel{}{\to }$ NaCl(aq) + H₂O(l) Δ_{r$H_{298}^0$}= -57,9 kJmol^-1

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Bài 18: Hydrogen halide và hydrohalic acid

Bài 1: Nhập môn hóa học

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Trắc nghiệm Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy