Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 13: Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

Mở đầu trang 80 Hóa học 10: Hầu như mọi phản ứng hóa học cũng như quá trình chuyển thể của chất luôn kèm theo sự thay đổi năng lượng.

Trong cả 2 ví dụ đều có phản ứng xảy ra với sự thay đổi năng lượng. Theo em, phản ứng có kèm theo sự thay đổi năng lượng dưới dạng nhiệt năng đóng vai trò gì trong đời sống?

Lời giải:

Các phản ứng kèm theo sự thay đổi năng lượng rất phổ biến như: phản ứng đốt nhiên liệu, phản ứng tạo gỉ sắt, phản ứng trong lò nung vôi ….

Trong đó nhiều phản ứng đem lại lợi ích quan trọng, gắn liền với cuộc sống như:

- Phản ứng đốt cháy than tỏa một lượng nhiệt lớn giúp đun nấu và sưởi ấm.

- Phản ứng nhiệt nhôm tỏa ra một lượng nhiệt lớn được ứng dụng để hàn đường ray, hàn nối các thanh kim loại đồng,  hàn thép không gỉ, gang …

1. Phản ứng tỏa nhiệt

Câu hỏi 1 trang 81 Hóa học 10: Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra ở Hình 13.1 và nêu nhận xét về sự thay đổi nhiệt của phản ứng đó

Lời giải:

- Phương trình hóa học của phản ứng nhiệt nhôm để hàn đường ray:

2Al + Fe₂O₃ $\stackrel{t°}{\to }$Al₂O₃ + 2Fe

- Nhận xét về sự thay đổi nhiệt: Phản ứng nhiệt nhôm tỏa nhiệt rất lớn (trên 2 500^oC), làm nóng chảy hỗn hợp và sắt sinh ra từ phản ứng  lấp đầy khe hở.

Câu hỏi 2 trang 81 Hóa học 10: Thực hiện thí nghiệm 1. Nêu hiện tượng xảy ra. Rút ra kết luận về sự thay đổi nhiệt độ chất lỏng trong cốc. Giải thích.

Thí nghiệm 1: Sự thay đổi nhiệt độ khi vôi sống phản ứng với nước.

Dụng cụ và thiết bị: Cốc chịu nhiệt 500 mL, cân, nhiệt kế, đũa thủy tinh, giá đỡ nhiệt kế.

Hóa chất: Vôi sống (CaO), nước cất.

Tiến hành:

Bước 1: Cho khoảng 25 mL nước cất vào cốc chịu nhiệt, đặt bầu nhiệt kế vào trong lòng chất lỏng (Hình 13.2a), ghi nhận giá trị nhiệt độ.

Bước 2: Cân khoảng 5g CaO. Cho nhanh CaO vào cốc, bắt đầu bấm giờ và ghi nhận nhiệt độ, đồng thời dùng đũa thủy tinh khuấy nhẹ (Hình 13.2b).

Bước 3: Ghi nhận giá trị nhiệt độ sau khoảng 2 phút.

Lời giải:

- Hiện tượng:

+ Ở bước 1, ghi nhận giá trị của nhiệt kế là khoảng 25^oC.

+ Ở bước 2, CaO màu trắng tan trong nước, nhiệt độ tăng dần trên trên nhiệt kế.

+ Sau 2 phút ghi nhận giá trị của nhiệt kế là khoảng 50^oC.

- Kết luận: Nhiệt độ chất lỏng trong cốc tăng lên từ 25^oC đến 50^oC

- Giải thích: CaO đã phản với nước theo phương trình: CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Phản ứng này tỏa nhiệt nên làm nhiệt độ chất lỏng trong cốc tăng.

Luyện tập trang 81 Hóa học 10: Hãy nêu hiện tượng của các quá trình: đốt cháy than, ethanol trong không khí. Nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi như thế nào?

Lời giải:

- Hiện tượng: Cả than và ethanol đều cháy trong không khí, tuy nhiên ethanol dễ cháy hoàn toàn hơn.

- Phương trình hóa học:

+ Đốt cháy than: C + O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂

+ Đốt cháy ethanol: C₂H₆O + 3O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ 2CO₂ + 3H₂O

- Cả hai quá trình trên đều làm nhiệt độ môi trường xung quanh tăng lên.

2. Phản ứng thu nhiệt

Câu hỏi 3 trang 82 Hóa học 10: Khi thả viên vitamin C sủi vào cốc nước như Hình 13.3, em hãy dự đoán sự thay đổi nhiệt độ của nước trong cốc

Lời giải:

Dự đoán sự thay đổi nhiệt độ của nước trong cốc:

Khi thả viên vitamin C sủi vào cốc nước, viên C sủi tan, thấy nước trong cốc mát hơn.

Câu hỏi 4 trang 82 Hóa học 10: Trong phản ứng nung đá vôi (CaCO₃), nếu ngừng cung cấp nhiệt, phản ứng có tiếp tục xảy ra không?

Lời giải:

Phản ứng nung đá vôi (CaCO₃) là phản ứng thu nhiệt, nếu ngừng cung cấp nhiệt phản ứng sẽ không tiếp tục xảy ra.

Câu hỏi 5 trang 82 Hóa học 10: Thực hiện thí nghiệm 2. Nêu hiện tượng trước và sau khi đốt nóng hỗn hợp. Nếu ngừng đốt nóng thì phản ứng có xảy ra không?

Thí nghiệm 2: Nhiệt phân potassium chlorate

Dụng cụ và thiết bị: Đèn cồn, ống nghiệm chịu nhiệt, nút cao su có gắn ống dẫn khí, chậu thủy tinh, bình tam giác, giá sắt.

Hóa chất: Potassium chlorate (KClO₃), manganese dioxide (MnO₂)

Tiến hành:

Bước 1: Trộn đều khoảng 4 g tinh thể KClO₃ đã được nghiền nhỏ với 1 g MnO₂. Cho hỗn hợp vào ống nghiệm chịu nhiệt, khô. Đậy ống nghiệm vào nút có gắn ống dẫn khí. Lắp hệ thống như Hình 13.4. Quan sát hiện tượng.

Bước 2: Dùng đèn cồn hơ nóng đều nửa đáy ống nghiệm, sau đó đun tập trung ở phần có chứa hóa chất. Quan sát hiện tượng.

Phương trình hóa học của phản ứng:

2KClO₃(s) $\stackrel{t°}{\to }$ 3O₂(g) + 2KCl(s)

Lời giải:

- Hiện tượng:

+ Trước khi đốt nóng hỗn hợp không có hiện tượng gì xảy ra.

+ Sau khi đốt nóng, thấy hỗn hợp chất rắn trong ống nghiệm bị phân hủy, có bọt khí nổi lên và đẩy nước ra khỏi bình tam giác.

- Nếu ngừng đốt nóng thì phản ứng dừng lại, khí không được sinh ra thêm nữa.

3. Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng

Câu hỏi 6 trang 83 Hóa học 10: Biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hóa học được xác định trong điều kiện nào?

Lời giải:

Biến thiên enthalpy chuẩn của một phản ứng hóa học được xác định trong 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 25^oC (hay 298K).

Câu hỏi 7 trang 82 Hóa học 10: Phương trình nhiệt hóa học cho biết thông tin gì về phản ứng hóa học.

Lời giải:

Phương trình nhiệt hóa học cho biết:

- Nhiệt phản ứng (nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng), cụ thể:

∆_rH > 0: Phản ứng thu nhiệt.

∆_rH < 0: Phản ứng tỏa nhiệt.

- Trạng thái của các chất đầu (cđ) và sản phẩm (sp), cụ thể:

(s): rắn

(aq): dung dịch

(l): lỏng

(g): khí.

Ví dụ:

CH₄ (g) + H₂O (l) $\stackrel{t°}{\to }$CO (g) + 3H₂ (g)

∆ _r$H_{298}^o$= 250 kJ.

Luyện tập trang 82 Hóa học 10: Cho hai phương trình nhiệt hóa học sau:

C(s) + H₂O(g) $\stackrel{t°}{\to }$ CO(g) + H₂(g)     ∆ _r$H_{298}^o$ = +131,25 kJ    (1)

CuSO₄ (aq) + Zn(s) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)     ∆ _r$H_{298}^o$ = -231,04 kJ   (2)

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

Lời giải:

Phản ứng (1) là thu nhiệt vì ∆ _r$H_{298}^o$ = +131,25 kJ > 0.

Phản ứng (2) là tỏa nhiệt vì ∆ _r$H_{298}^o$ = -231,04 kJ  < 0.

4. Enthalpy tạo thành (nhiệt tạo thành)

Câu hỏi 8 trang 84 Hóa học 10: Phân biệt enthalpy tạo thành của một chất và biến thiên enthalpy của phản ứng. Lấy ví dụ minh họa

Lời giải:

Chú ý: Enthalpy tạo thành của một hợp chất cũng chính là enthalpy của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền.

Câu hỏi 9 trang 84 Hóa học 10: Cho phản ứng sau:

S(s) + O₂(g) $\stackrel{t°}{\to }$ SO₂(g)

∆ _f$H_{298}^o$(SO₂, g) = -296,80 kJ/mol

Cho biết ý nghĩa của giá trị ∆ _f$H_{298}^o$(SO₂, g)

Lời giải:

∆ _f$H_{298}^o$(SO₂, g) = -296,80 kJ/mol là lượng nhiệt tỏa ra khi tạo ra 1 mol SO₂(g) từ các đơn chất ở trạng thái bền ở điều kiện chuẩn (sulfur ở trạng thái rắn, oxygen dạng phân tử khí chính là các dạng đơn chất bền nhất của sulfur và oxygen).

Câu hỏi 10 trang 84 Hóa học 10: Hợp chất SO₂(g) bền hơn hay kém bền hơn về mặt năng lượng so với các đơn chất bền S(s) và O₂(g)

Lời giải:

∆ _f$H_{298}^o$(SO₂, g) = -296,80 kJ/mol < 0

⇒ Hợp chất SO₂(g) bền hơn về mặt năng lượng so với các đơn chất bền S(s) và O₂(g).

Câu hỏi 11 trang 84 Hóa học 10: Từ Bảng 13.1 hãy liệt kê các phản ứng có enthalpy tạo thành dương (lấy nhiệt từ môi trường)

Lời giải:

Các phản ứng có enthalpy tạo thành dương (lấy nhiệt từ môi trường):

Phản ứng tạo thành các chất: C₂H₂(g), C₂H₄(g), C₆H₆(l), CS₂(aq), HI(g), N₂O(g), N₂O₄(g), NO(g), NO₂(g).

Luyện tập trang 84 Hóa học 10: Em hãy xác định enthalpy tạo thành theo đơn vị (kcal) của các chất sau: Fe₂O₃(s), NO(g), H₂O(g), C₂H₅OH(l). Cho biết 1J = 0,239 cal

Lời giải:

1J = 0,239 cal ⇒ 1 kJ = 0,239 kcal.

∆ _f$H_{298}^o$(Fe₂O₃, s) = -825,50 kJ/mol = -825,50 × 0,239 kcal/mol = -197,2945 kcal/mol

∆ _f$H_{298}^o$(NO, g) = +90,29 kJ/mol = +90,29 × 0,239 kcal/mol = +21,5793 kcal/mol

∆ _f$H_{298}^o$(H₂O, g) = -241,82 kJ/mol = -241,82 × 0,239 kcal/mol = -57,795 kcal/mol

∆ _f$H_{298}^o$(C₂H₅OH, l) = -277,63 kJ/mol = -277,63 × 0,239 kcal/mol = -66,354 kcal/mol

5. Ý nghĩa của dấu và giá trị ∆ _r$H_{298}^o$

Câu hỏi 12 trang 85 Hóa học 10: Quan sát Hình 13.5, mô tả sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng. Nhận xét về giá trị của ∆ _f$H_{298}^o$(sp) so với ∆ _f$H_{298}^o$(cđ)

Lời giải:

Biến thiên enthalpy của phản ứng: ∆ _r$H_{298}^o$ = -111,68 kJ < 0

∆ _f$H_{298}^o$(sp) < ∆ _f$H_{298}^o$(cđ).

Câu hỏi 13 trang 85 Hóa học 10: Vận dụng để vẽ sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng nhiệt phân CaCO₃ ở Ví dụ 5.

Lời giải:        

CaCO₃(s) $\stackrel{t°}{\to }$ CaO(s) + CO₂(g)        ∆ _r$H_{298}^o$ = +178,49 kJ

Sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng nhiệt phân CaCO₃

Câu hỏi 14 trang 85 Hóa học 10: Cho hai phương trình nhiệt hóa học sau:

CO(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) → CO₂(g)                  ∆ _r$H_{298}^o$ = -283,00 kJ (1)

H₂(g) + F₂(g) → 2HF(g)                        ∆ _r$H_{298}^o$ = -546,00 kJ (2)

So sánh nhiệt giữa hai phản ứng (1) và (2). Phản ứng nào xảy ra thuận lợi hơn?

Lời giải:

Nhiệt phản ứng (2) (∆ _r$H_{298}^o$ = -546,00 kJ) âm hơn nhiệt phản ứng (1) (∆ _r$H_{298}^o$ = -283,00 kJ) ⇒ Phản ứng (2) xảy ra thuận lợi hơn.

Vận dụng trang 86 Hóa học 10: Hãy làm cho nhà em sạch bong với hỗn hợp baking soda (NaHCO₃) và giấm (CH₃COOH). Hỗn hợp này tạo ra một lượng lớn bọt. Phương trình nhiệt hóa học của phản ứng:

NaHCO₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + CO₂(g) + H₂O(l)   ∆ _r$H_{298}^o$ = 94,30kJ

Phản ứng trên là tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Vì sao? Tìm những ứng dụng khác của phản ứng trên.

Lời giải:

NaHCO₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + CO₂(g) + H₂O(l)   ∆ _r$H_{298}^o$ = 94,30kJ

- Phản ứng trên là thu nhiệt vì ∆ _r$H_{298}^o$ = 94,30kJ > 0

- Một số ứng dụng khác của phản ứng trên: Thông bồn cầu, vệ sinh máy giặt, khử mùi, tẩy trắng quần áo …

Bài 1 trang 86 Hóa học 10: Phương trình nhiệt hóa học giữa nitrogen và oxygen như sau:

N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g)   ∆ _r$H_{298}^o$ = +180 kJ

Kết luận nào sau đây đúng?

A. Nitrogen và oxygen phản ứng mạnh hơn khi ở nhiệt độ thấp.

B. Phản ứng tỏa nhiệt.

C. Phản ứng xảy ra thuận lợi ở điều kiện thường.

D. Phản ứng hóa học xảy ra có sự hấp thụ nhiệt năng từ môi trường.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

∆ _r$H_{298}^o$ = +180 kJ > 0 ⇒ Phản ứng hóa học xảy ra có sự hấp thụ nhiệt năng từ môi trường

Bài 2 trang 86 Hóa học 10: Biến thiên enthalpy của một phản ứng được ghi ở sơ đồ dưới. Kết luận nào sau đây là đúng?

A. Phản ứng tỏa nhiệt

B. Năng lượng chất tham gia phản ứng nhỏ hơn năng lượng chất sản phẩm

C. Biến thiên enthalpy của phản ứng là a kJ/mol

D. Phản ứng thu nhiệt

Lời giải:

Đáp án A

Phản ứng có biến thiên enthalpy là ∆ _r$H_{298}^o$ = -a kJ < 0 ⇒ Phản ứng tỏa nhiệt

Bài 3 trang 86 Hóa học 10: Đồ thị nào sau đây thể hiện đúng sự thay đổi nhiệt độ khi dung dịch hydrochloric acid được cho vào dung dịch sodium hydroxide tới dư?

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Phản ứng giữa hydrochloric acid (HCl) và sodium hydroxide (NaOH) là phản ứng tỏa nhiệt (∆ _r$H_{298}^o$ = -57,3 kJ).

Khi hydrochloric acid (HCl) phản ứng với sodium hydroxide (NaOH) nhiệt độ tăng dần. Đến khi phản ứng kết thúc, nhiệt độ sẽ giảm dần để cân bằng với nhiệt độ môi trường.

Bài 4 trang 86 Hóa học 10: Cho phương trình nhiệt hóa học sau:

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)                         ∆ _r$H_{298}^o$ = -57,3 kJ

Vẽ sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng

Lời giải:

Sơ đồ biểu diễn biến thiên enthalpy của phản ứng: