Giải Hóa 10 Bài 17 (Kết nối tri thức): Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Mở đầu trang 80 Hóa học 10: Phản ứng giữa đường glucose với oxygen tạo ra carbon dioxide, hơi nước và toả nhiều nhiệt. Sau khi chơi thể thao, cơ thể mệt mỏi, nếu uống một cốc nước hoa quả, em sẽ cảm thấy khoẻ hơn. Có phải đường glucose đã "cháy" và cấp bù năng lượng cho cơ thể?

Lời giải:

Phản ứng giữa đường glucose với oxygen tạo ra carbon dioxide, hơi nước là phản ứng tỏa nhiệt. Năng lượng tạo ra dưới dạng nhiệt của phản ứng này cung cấp cho cơ thể, giúp cơ thể hoạt động hiệu quả và ta cảm thấy khỏe hơn.

I. Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt

Câu hỏi 1 trang 81 Hóa học 10: Khi đun nóng ống nghiệm đựng KMnO₄ (thuốc tím), nhiệt của ngọn lửa làm cho KMnO₄ bị nhiệt phân, tạo hỗn hợp bột màu đen:

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

Em hãy dự đoán phản ứng này toả nhiệt hay thu nhiệt.

Lời giải:

Phản ứng này là phản ứng thu nhiệt vì cần cung cấp nhiệt độ để sự phân hủy KMnO₄ xảy ra, nếu ngừng đun nóng thì phản ứng dừng lại.

Hoạt động trang 82 Hóa học 10: Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của phản ứng trung hoà

Chuẩn bị: dung dịch HCl 0,5 M, dung dịch NaOH 0,5 M, 1 cốc 250 mL, giá treo nhiệt kế, nhiệt kế (có dải đo đến 100°C), que khuấy và 2 ống đong 50 mL.

Tiến hành:

- Dùng ống đong lấy 50 mL dung dịch HCl 0,5 M cho vào cốc phản ứng, lắp nhiệt kế lên giá sao cho đầu nhiệt kế nhúng vào dung dịch trong cốc (Hình 17.1). Đọc nhiệt độ dung dịch.

- Dùng ống đong khác lấy 50 mL dung dịch NaOH 0,5 M cho vào cốc phản ứng. Khuấy nhẹ.

Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của dung dịch và trả lời câu hỏi:

1. Nhiệt độ trên nhiệt kế thay đổi như thế nào sau khi rót dung dịch NaOH vào cốc? Phản ứng trung hoà là toả nhiệt hay thu nhiệt?

2. Trong thí nghiệm trên, nếu thay các dung dịch HCl và NaOH bằng các dung dịch loãng hơn thì nhiệt độ thay đổi như thế nào so với thí nghiệm trên?

Lời giải:

1. Sau khi rót dung dịch NaOH vào cốc thì nhiệt độ trên nhiệt kế tăng dần.

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

⇒ Phản ứng tỏa nhiệt.

2. Nếu thay các dung dịch HCl và NaOH bằng các dung dịch loãng hơn thì nhiệt độ tăng chậm hơn.

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

Câu hỏi 2 trang 83 Hóa học 10: Cho các phương trình nhiệt hoá học:

(1) CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=+176,0kJ$

(2) C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-137,0kJ$

(3) Fe₂O₃(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 2Fe(s) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-851,5kJ$

Trong các phản ứng trên, phản ứng nào toả nhiệt, phản ứng nào thu nhiệt?

Lời giải:

${\Delta }_r{H}_{298}^o$> 0 ⇒ Phản ứng thu nhiệt.

⇒ Phản ứng thu nhiệt: (1)

${\Delta }_r{H}_{298}^o$ < 0 ⇒ Phản ứng tỏa nhiệt.

⇒ Phản ứng tỏa nhiệt: (2), (3).

Câu hỏi 3 trang 83 Hóa học 10: Biết phản ứng đốt cháy khí carbon monoxide (CO) như sau:

CO (g) + $\frac{1}{2}$O₂ (g) ⟶ CO₂ (g) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-283,0kJ$

Ở điều kiện chuẩn, nếu đốt cháy hoàn toàn 2,479 L khí CO thì nhiệt lượng toả ra là bao nhiêu?

Lời giải:

1 mol khí ở điều kiện chuẩn tương đương 24,79 L

Phản ứng đốt cháy 1 mol hay 24,79L khí carbon monoxide (CO) tỏa ra nhiệt lượng là 283,0kJ.

⇒ Nếu đốt cháy hoàn toàn 2,479 L khí CO thì nhiệt lượng toả ra là:

$\frac{2,479.283,0}{24,79}=28,3kJ$

Câu hỏi 4 trang 84 Hóa học 10: Phản ứng tôi vôi toả ra nhiệt lượng rất lớn, có thể làm sôi nước. Hãy nêu các biện pháp để đảm bảo an toàn khi thực hiện quá trình tôi vôi.

Lời giải:

Một số biện pháp để đảm bảo an toàn khi thực hiện quá trình tôi vôi:

- Mặc đồ bảo hộ (quần áo, đi giày kín, đeo kính bảo hộ, đeo khẩu trang) khi thực hiện quá trình tôi vôi.

- Làm rào chắn, biển báo để cảnh báo những người không liên quan tránh xa hố vôi tôi.

- Cởi bỏ quần áo, vệ sinh sạch sẽ khi kết thúc quá trình tôi vôi.

III. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

Câu hỏi 5 trang 86 Hóa học 10: Cho phản ứng:

C (kim cương) ⟶ C (graphite) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-1,9kJ$

a) Ở điều kiện chuẩn, kim cương hay graphite có mức năng lượng thấp hơn?

b) Trong phản ứng xác định nhiệt tạo thành của CO₂(g): C(s) + O₂(g) → CO₂(g). Carbon ở dạng kim cương hay graphite?

Lời giải:

a) C (kim cương) ⟶ C (graphite) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-1,9kJ$

⇒ ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = ${\Delta }_f{H}_{298}^o$(graphite) - ${\Delta }_f{H}_{298}^o$(kim cương) < 0

⇒ ${\Delta }_f{H}_{298}^o$(graphite) < ${\Delta }_f{H}_{298}^o$(kim cương)

⇒ Dạng graphite có mức năng lượng thấp hơn kim cương.

⇒ Graphite bền vững hơn.

b) Trong phản ứng xác định nhiệt tạo thành của CO₂(g): C(s) + O₂(g) → CO₂(g).

Nhiệt tạo thành của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững nhất, ở một điều kiện xác định

⇒ Trong phản ứng xác định nhiệt tạo thành của CO₂(g) carbon ở dạng graphite vì graphite là dạng bền vững hơn.

Câu hỏi 6 trang 86 Hóa học 10: Từ số liệu Bảng 17.1, hãy xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethane:

C₂H₆ (g) + $\frac{7}{2}$O₂ (g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2CO₂ (g) + 3H₂O (l) (1)

Lời giải:

Tổng nhiệt tạo thành các chất đầu là:

$\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(c\text{d}\right)={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C_2{H}_6\right(g\left)\right).1+{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right(g\left)\right).\frac{7}{2}$= (-84,7.1) + 0.$\frac{7}{2}$= - 84,7 (kJ)

Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là:

$\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(sp\right)={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{O}_2\right(g\left)\right).2+{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(H_{2}O\right(l\left)\right).3$

= (-393,5.2) + (-285,8.3) = - 1644,4 (kJ)

⇒ Biến thiên enthalpy của phản ứng:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(sp\right)-\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(cd\right)$= - 1559,7 (kJ)

IV. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo liên kết năng lượng liên kết

Câu hỏi 7 trang 88 Hóa học 10: a) Cho biết năng lượng liên kết trong các phân tử O₂, N₂, và NO lần lượt là 494 kJ/mol, 945 kJ/mol và 607 kJ/mol. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g)

b) Giải thích vì sao nitrogen chỉ phản ứng với oxygen ở nhiệt độ cao hoặc khi có tia lửa điện.

Lời giải:

a) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=\text{[}{E}_b(N\equiv N).1+E_b(O=O).1]-E_b(N=O).2$

= [945.1 + 494.1] – 607.2 = 225 (kJ)

b) ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = 225 kJ > 0 ⇒ Phản ứng thu nhiệt.

Tức là 1 mol N₂ (g) phản ứng với 1 mol O₂ (g) cần cung cấp 225kJ nhiệt lượng

⇒ Nitrogen chỉ phản ứng với oxygen ở nhiệt độ cao hoặc khi có tia lửa điện.

Câu hỏi 8 trang 88 Hóa học 10: Từ số liệu năng lượng liên kết ở Bảng 12.2, hãy tính biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy butane theo năng lượng liên kết, biết sản phẩm phản ứng đều ở thể khí.

Lời giải:

Phương trình hóa học:

C₄H₁₀ (g) + $\frac{13}{2}$O₂ (g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 4CO₂ (g) + 5H₂O (g)

$\sum E_b\left(cd\right)$= 3.E_b (C – C) + 10.E_b (C – H) + $\frac{13}{2}$.E_b (O = O)

= 3.346 + 10.418 + $\frac{13}{2}$.494 = 8429 kJ

$\sum E_b\left(sp\right)$= 8.E_b (C = O) + 10.E_b (O – H) = 8.732 + 10.459 = 10446 kJ

Biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy butane là:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum E_b\left(cd\right)-\sum E_b\left(sp\right)$= 8429 – 10446 = -2017 kJ.

Lý thuyết Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

I. Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt

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

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

Ví dụ:

Khi than, củi cháy, không khí xung quanh ấm hơn do phản ứng tỏa nhiệt.

Pha viên sủi vitamin C vào nước, khi viên sủi tan, thấy nước trong cốc mát hơn, đó là do xảy ra phản ứng thu nhiệt.

Khi nung vôi, người ta sử dụng phản ứng đốt than để cung cấp nhiệt cho phản ứng phân hủy đá vôi. Phản ứng đốt than là phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

1. Biến thiên enthalpy

Hầu hết các quá trình hóa học trong thực tế xảy ra ở điều kiện áp suất không đổi. Nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng ở điều kiện này gọi là biến thiên enthalpy của phản ứng (nhiệt phản ứng), kí hiệu là D_rH.

Phương trình hóa học kèm theo trạng thái của các chất và giá trị D_rH gọi là phương trình nhiệt hóa học.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy 2 mol khí hydrogen bằng 1 mol khí oxygen, tạo thành 2 mol nước ở trạng thái lỏng, tỏa ra nhiệt lượng 571,6 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = –571,6 kJ, biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

2H₂(g) + O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2H₂O(l) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = –571,6 kJ

Ví dụ 2: Phản ứng nhiệt phân hoàn toàn 1 mol Cu(OH)₂, tạo thành 1 mol CuO và 1 mol H₂O, thu vào nhiệt lượng 9,0 kJ. Phản ứng trên có biến thiên enthalpy ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = +9,0 kJ và biểu diễn bằng phương trình nhiệt hóa học như sau:

Cu(OH)₂(s) $\stackrel{t^o}{\to }$ CuO(s) + H₂O(l) ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = +9,0 kJ

2. Biến thiên enthalpy chuẩn

Biến thiên enthalpy chuẩn là nhiệt tỏa ra hay thu vào của phản ứng được xác định 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 nhiệt độ thường được chọn là 25^oC (298K), kí hiệu ${\Delta }_r{H}_{298}^o$.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol carbon graphite trong khí oxygen dư (ở điều kiện chuẩn) tạo ra 1 mol CO₂, nhiệt lượng tỏa ra là 393,5 kJ. Phương trình nhiệt hóa học của phản ứng được viết như sau:

C(graphite) + O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂(g) ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = –393,5 kJ

3. Ý nghĩa của biến thiên enthalpy

Dấu của biến thiên enthalpy cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt:

${\Delta }_r{H}_{298}^o$ > 0: phản ứng thu nhiệt.

${\Delta }_r{H}_{298}^o$ < 0: phản ứng tỏa nhiệt.

Chú ý: Gía trị tuyệt đối của biến thiên enthalpy càng lớn thì nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng càng nhiều.

Ví dụ: Xét 2 phản ứng

CH₄(g) + 2O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂(g) + 2H₂O(l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = –890 kJ

CH₃OH(l) + O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂(g) + 2H₂O(l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = –726 kJ

Vậy, khi đốt 1 mol methane (16 g) tỏa ra nhiệt lượng nhiều hơn đốt 1 mol methanol (32 g).

Chú ý: Các phản ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng thường là phản ứng tỏa nhiệt, các phản ứng thu nhiệt thường xảy ra khi đun nóng.

III. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

1. Khái niệm nhiệt tạo thành

Nhiệt tạo thành (D_fH) của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững nhất, ở một điều kiện xác định.

Nhiệt tạo thành chuẩn (${\Delta }_r{H}_{298}^o$) là nhiệt tạo thành ở điều kiện chuẩn.

Nhiệt tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng 0. Ví dụ: ${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right(g\left)\right)=0$ kJ.

Ví dụ 1: Nước lỏng được tạo thành từ khí hydrogen và khí oxygen theo phản ứng:

H₂(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ H₂O(l)

Ở điều kiện chuẩn, cứ 1 mol H₂O(l) tạo thành từ 1 mol H₂(g) và $\frac{1}{2}$ mol O₂(g) giải phóng nhiệt lượng là 285,8 kJ.

Như vậy, nhiệt tạo thành của nước lỏng: ${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(H_{2}O\right(l\left)\right)=-285,8$ kJ/mol.

Ví dụ 2: Phản ứng $\frac{1}{2}$N₂(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ NO(g) có biến thiên enthalpy: ${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(H_{2}O\right(l\left)\right)=+90,3$kJ/mol. Giá trị > 0, tức phản ứng này là phản ứng thu nhiệt.

2. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo nhiệt tạo thành

Biến thiên enthalpy của phản ứng được xác định bằng hiệu số giữa tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm (sp) và tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu (cđ).

Ở điều kiện chuẩn: ${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(sp\right)-\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o$(cđ).

Trong tính toán cần lưu ý đến hệ số của các chất trong phương trình hóa học.

Ví dụ 1: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn

SO₂(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ SO₃(l)

biết nhiệt tạo tạo thành ${\Delta }_f{H}_{298}^o$ của SO₂(g) là –296,8 kJ/mol, của SO₃(l) là – 441,0 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

${\Delta }_r{H}_{298}^o={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(S{O}_3\right(l\left)\right)-\left[{\Delta }_f{H}_{298}^o\right(S{O}_2\left)\right(g\left)\right)+\frac{1}{2}{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right(g\left)\right)$

= – 441,0 – (–296,8 + 0×$\frac{1}{2}$) = –144,2 (kJ).

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn

4FeS₂(s) + 11O₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2Fe₂O₃(s) + 8SO₂(g)

biết nhiệt tạo thành ${\Delta }_f{H}_{298}^o$ của các chất FeS₂(s), Fe₂O₃(s) và SO₂(g) lần lượt là –177,9 kJ/mol, –825,5 kJ/mol và –296,8 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

Tổng nhiệt tạo thành các chất ban đầu là:

${\Delta }_f{H}_{298}^o$(cđ) = ${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(Fe{S}_2\right(s\left)\right)\times 4+{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right(g\left)\right)\times 11$ = (–177,9)×4 + 0×11 = –711,6 (kJ).

Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là:

${\Delta }_r{H}_{298}^o\left(sp\right)={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(F{e}_2{O}_3\right(s\left)\right)\times 2+{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(S{O}_2\right(g\left)\right)\times 8$

= (–825,5)×2 + (–296,8)×8 = –4025,4 (kJ).

Vậy, biến thiên enthalpy của phản ứng:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(sp\right)-\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o$(cđ) = –4025,4 – (–711,6) = –3313,8 (kJ).

IV. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo năng lượng liên kết

Biến thiên enthalpy của phản ứng (mà các chất đều ở thể khí), bằng hiệu số giữa tổng năng lượng liên kết của các chất đầu và tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm (ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất).

Ở điều kiện chuẩn: ${\Delta }_r{H}_{298}^o$= $\sum E_b$(cđ) – $\sum E_b\left(sp\right)$.

Ví dụ 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

H₂(g) + Cl₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2HCl(g)

biết E_b (H–H) = 436 kJ/mol, E_b (Cl–Cl) = 243 kJ/mol, E_b (H–Cl) = 432 kJ/mol.

Hướng dẫn giải:

Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng là:

${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = E_b (H–H) + E_b (Cl–Cl) – 2×E_b (H–Cl) = 436 + 243 – 2×432 = –185 (kJ).

Phản ứng tỏa nhiệt vì khi tạo thành 2 liên kết H–Cl tỏa ra năng lượng lớn hơn năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết H–H và Cl–Cl.

Ví dụ 2: Xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

C₂H₄(g) + H₂(g) $\stackrel{}{\to }$ C₂H₆(g)

biết năng lượng liên kết (ở điều kiện chuẩn):

Hướng dẫn giải:

$\to$ ${\Delta }_r{H}_{298}^o$ = E_b (C=C) + 4E_b (C–H) + E_b (H–H) – E_b (C–C) – 6E_b (C–H)

= 612 + 4×418 + 436 – 346 – 6×418 = –134 (kJ).

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 18: Ôn tập chương 5

Bài 19: Tốc độ phản ứng

Bài 20: Ôn tập chương 6

Bài 21: Nhóm halogen

Bài 22: Hydrogen halide. Muối halide

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Trắc nghiệm Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học