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) $\stackrel{t°}{\to }$ 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.

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum E_b\left(c\text{d}\right)-\sum E_b\left(sp\right)$

∆_r$H_{298}^o$ = E_b(CH₄) + 2.E_b(O₂) – E_b(CO₂) – 2.E_b(H₂O)

∆_r$H_{298}^o$ = 4.E_b(C-H) + 2.E_b(O=O) – 2. E_b(C=O) – 2.2.E_b(O-H)

- Cách 2: Dựa vào nhiệt tạo thành chuẩn của các chất.

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum {\Delta }_f{H}_{298}^0\left(sp\right)-\sum {\Delta }_f{H}_{298}^o\left(c\text{d}\right)$

∆_r$H_{298}^o$ = ∆_f$H_{298}^o$(CO₂) + 2.∆_f$H_{298}^o$(H₂O) – ∆_f$H_{298}^o$(CH₄) – 2.∆_f$H_{298}^o$(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) $\stackrel{t°/tialuadien}{\to }$2NO(g)

Lời giải:

N₂(g) + O₂(g) $\stackrel{t°/tialuadien}{\to }$2NO(g)

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(N₂) + E_b(O₂) – 2E_b(NO)

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(N≡N) + E_b(O=O) – 2E_b(N=O)

∆ _r$H_{298}^o$ = 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 ∆ _r$H_{298}^o$ của phản ứng sau dựa vào giá trị E_b ở Bảng 14.1:

CH₄(g) + Cl₂(g) $\stackrel{askt}{\to }$CH₃Cl(g) + HCl(g)

Hãy cho biết phản ứng trên tỏa nhiệt hay thu nhiệt?

Lời giải:

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(CH₄) + E_b(Cl₂) – E_b(CH₃Cl) – E_b(HCl)

∆ _r$H_{298}^o$ = 4.E_b(C-H) + E_b(Cl-Cl) – 3E_b(C-H) – E_b(C-Cl) – E_b(H-Cl)

∆ _r$H_{298}^o$ = 4.413 + 243 – 3.413 – 339 – 427

∆ _r$H_{298}^o$ = -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) $\stackrel{t°}{\to }$ 2H₂O(g)                                           (1)

C₇H₁₆(g) + 11O₂(g) $\stackrel{t°}{\to }$ 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) $\stackrel{t°}{\to }$ 2H₂O(g)                                           (1)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 2.E_b(H₂) + E_b(O₂) – 2.E_b(H₂O)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 2.E_b(H-H) + E_b(O=O) – 2.2.E_b(O-H)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 2.432 + 498 – 2.2.467 = -506 kJ

C₇H₁₆(g) + 11O₂(g) $\stackrel{t^0}{\to }$ 7CO₂(g) + 8H₂O(g)                    (2)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = E_b(C₇H₁₆) + 11.E_b(O₂) – 7.E_b(CO₂) – 8.E_b(H₂O)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎  = 6.E_b(C-C)  + 16E_b(C-H)  + 11.E_b(O=O)  – 7.2.E_b(C=O)  – 8.2.E_b(O-H)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 6.347 + 16.413 + 11.498 – 7.2.745 – 8.2.467 = -3734 kJ

Ta thấy: ∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ < ∆ _r$H_{298}^o$₍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 ∆ _r$H_{298}^o$ của hai phản ứng sau:

3O₂(g) → 2O₃(g)    (1)

2O₃(g) → 3O₂(g)    (2)

Liên hệ giữa giá trị ∆ _r$H_{298}^o$ 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)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 3.E_b(O₂) – 2.E_b(O₃)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 3.Eb(O=O) – 2.[Eb(O-O) + Eb(O=O)]

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 3.498 – 2.(204 + 498) = 90 kJ

2O₃(g) → 3O₂(g)    (2)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 2.E_b(O₃) - 3.E_b(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 2.[Eb(O-O) + Eb(O=O)] - 3.Eb(O=O)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 2.(204 + 498) - 3.498 = -90 kJ

Dựa vào kết quả tính toán cho thấy quá trình: 3O₂ → 2O₃ có ∆ _r$H_{298}^o$ > 0 chứng tỏ không có khả năng tồn tại. Quá trình: 2O₃ → 3O₂ có ∆ _r$H_{298}^o$ < 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)

∆ _r$H_{298}^o$ = 6.∆ _f$H_{298}^o$(N₂) + 12. ∆ _f$H_{298}^o$(CO₂) + 10. ∆ _f$H_{298}^o$(H₂O) + ∆ _f$H_{298}^o$(O₂) – 4. ∆ _f$H_{298}^o$(C₃H₅O₃(NO₂)₃)

∆ _r$H_{298}^o$ = 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 25^oC (hay 298K).

Luyện tập trang 91 Hóa học 10: Dựa vào giá trị enthalpy tạo thành ở Bảng 13.1, hãy tính giá trị ∆ _r$H_{298}^o$ của các phản ứng sau:

CS₂(l) + 3O₂(g)  $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂(g) + 2SO₂(g)                           (1)

4NH₃(g) + 3O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2N₂(g) + 6H₂O(g)                        (2)

Lời giải:

CS₂(l) + 3O₂(g)  $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂(g) + 2SO₂(g)                           (1)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = 1.∆ _f$H_{298}^o$(CO₂) + 2.∆ _f$H_{298}^o$(SO₂) - 1.∆ _f$H_{298}^o$(CS₂) – 3.∆ _f$H_{298}^o$(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$₍₁₎ = -393,50 + 2.(-296,80) – 1.87,90 – 3.0 = -1075 kJ

4NH₃(g) + 3O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2N₂(g) + 6H₂O(g)                        (2)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 2.∆ _f$H_{298}^o$(N₂) + 6.∆ _f$H_{298}^o$(H₂O) - 4.∆ _f$H_{298}^o$(NH₃) – 3.∆ _f$H_{298}^o$(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$₍₂₎ = 2.0 + 6.(-241,82) – 4.(-45,9) – 3.0 = -1267,32 kJ

Bài 1 trang 92 Hóa học 10: Tính ∆ _r$H_{298}^o$ 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) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)

Lời giải:

a) N₂H₄(g) → N₂(g) + 2H₂(g)

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(N₂H₄) – E_b(N₂) – 2.E_b(H₂)

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(N-N) + 4.E_b(N-H) – E_b(N≡N) – 2.E_b(H-H)

∆ _r$H_{298}^o$ = 163 + 4.391 – 945 – 2.432 = -82 kJ

b) 4HCl(g) + O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)

∆ _r$H_{298}^o$ = 4.E_b(HCl) + E_b(O₂) – 2E_b(Cl₂) – 2E_b(H₂O)

∆ _r$H_{298}^o$ = 4.E_b(H-Cl) + E_b(O=O) – 2.E_b(Cl-Cl) – 2.2.E_b(O-H)

∆ _r$H_{298}^o$ = 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) + $\frac{15}{2}$O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 6CO₂(g) + 3H₂O(l)

∆ _r$H_{298}^o$ = 6.∆ _f$H_{298}^o$(CO₂) + 3. ∆ _f$H_{298}^o$(H₂O) - ∆ _f$H_{298}^o$(C₆H₆) - $\frac{15}{2}$∆ _f$H_{298}^o$(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$ = 6.(-393,50) + 3.(-285,84) – (+49,00) - $\frac{15}{2}$.0

∆ _r$H_{298}^o$ = -3267,52 kJ

1,0 gam C₆H₆(l) ứng với $\frac{1}{78}$ mol C₆H₆(l)

Đốt cháy 1 mol C₆H₆(l) tỏa ra 3267,52 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy $\frac{1}{78}$ mol C₆H₆(l) tỏa ra là $\frac{1}{78}$.3267,52 = 41,89 kJ nhiệt lượng

C₃H₈(g) + 5O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 3CO₂(g) + 4H₂O(l)

∆ _r$H_{298}^o$ = 3.∆ _f$H_{298}^o$(CO₂) + 4. ∆ _f$H_{298}^o$(H₂O) - ∆ _f$H_{298}^o$(C₃H₈) – 5.∆ _f$H_{298}^o$(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$ = 3.(-393,50) + 4.(-285,84) – (-105,00) - 5.0

∆ _r$H_{298}^o$ = -2218,86 kJ

1,0 gam C₃H₈(g) ứng với $\frac{1}{44}$ mol C₃H₈(g)

Đốt cháy 1 mol C₃H₈(g) tỏa ra 2218,86 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy $\frac{1}{44}$ mol C₃H₈(g) tỏa ra là $\frac{1}{44}$.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) $\stackrel{t^o}{\to }$ 2Fe(s) + Al₂O₃(s)

Từ kết quả tính được ở trên, hãy rút ra ý nghĩa của dấu và giá trị ∆ _r$H_{298}^o$ đối với phản ứng.

Lời giải:

2Al(s) + Fe₂O₃(s) $\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }$ 2Fe(s) + Al₂O₃(s)

∆ _r$H_{298}^o$ = 2.∆ _f$H_{298}^o$(Fe) + ∆ _f$H_{298}^o$(Al₂O₃) – 2. ∆ _f$H_{298}^o$(Al) - ∆ _f$H_{298}^o$(Fe₂O₃)

∆ _r$H_{298}^o$ = 2.0 + (-1676,00) – 2.0 – (-825,5)

∆ _r$H_{298}^o$ = -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) + $\frac{1}{2}$O₂(g) $\stackrel{t°,V_2{O}_5}{\to }$ SO₃(g)                                    ∆ _r$H_{298}^o$ = -98,5 kJ

a) Tính lượng nhiệt giải phóng ra khi chuyển 74,6 g SO₂ thành SO₃.

b) Giá trị ∆ _r$H_{298}^o$ của phản ứng: SO₃(g) → SO₂(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g) là bao nhiêu?

Lời giải:

a) 74,6 g SO₂ tương ứng với $\frac{74,6}{64}$ mol SO₂

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol SO₂(g) sinh ra 98,5 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy hoàn toàn $\frac{74,6}{64}$ mol SO₂(g) sinh ra 98,5. $\frac{74,6}{64}$ = 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 ∆ _r$H_{298}^o$ của phản ứng: SO₃(g) → SO₂(g) + $\frac{1}{2}$O₂(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)                     ∆ _r$H_{298}^o$ = -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) ∆ _r$H_{298}^o$ = Σ∆ _f$H_{298}^o$(sp) - Σ ∆ _f$H_{298}^o$(cđ) < 0

⇔ Σ∆ _f$H_{298}^o$(sp) < Σ ∆ _f$H_{298}^o$(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) $\stackrel{t^o}{\to }$ 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) $\stackrel{t^o}{\to }$ 3CO₂(g) + 4H₂O(g)

Tính theo nhiệt tạo thành của hợp chất:

∆ _r$H_{298}^o$ = 3.∆ _f$H_{298}^o$(CO₂) + 4. ∆ _f$H_{298}^o$(H₂O) - ∆ _f$H_{298}^o$(C₃H₈) – 5.∆ _f$H_{298}^o$(O₂)

∆ _r$H_{298}^o$ = 3.(-393,50) + 4.(-241,82) – (-105,00) - 5.0

∆ _r$H_{298}^o$ = -2042,78 kJ

Tính theo năng lượng liên kết:

∆ _r$H_{298}^o$ = E_b(C₃H₈) + 5.E_b(O₂) – 3E_b(CO₂) – 4E_b(H₂O)

∆ _r$H_{298}^o$ = 2.E_b(C-C) + 8.E_b(C-H) + 5.E_b(O=O) -3.2.E_b(C=O) - 4.2.E_b(O-H)

∆ _r$H_{298}^o$ = 2.347 + 8.413 + 5.498 – 3.2.745 – 4.2.467

∆ _r$H_{298}^o$ = -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.