Lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học sách Kết nối tri thức ngắn gọn, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng trả lời câu hỏi Hóa học 10 Bài 17 từ đó học tốt môn Hóa 10.

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

Giải hóa học 10 trang 81 Kết nối tri thức

Mở đầu trang 81 Hóa học 10: Phản ứng giữa đường glucose với oxygen tạo ra carbon dioxide, hơi nước và tỏa nhiều nhiệt. Sau khi chơi thể thao, cơ thể mệt mỏi, nếu uống một cốc nước hoa quả, em sẽ cảm thấy khỏe hơn. Có phải đường glucose đã “cháy” và cấp bù năng lượng cho cơ thể?

Phương pháp giải:

Quá trình phân giải glucose trong cơ thể thực hiện qua 2 giai đoạn, trong đó có giai đoạn hiếu khí: chuyển axit pyruvic thành CO2 và H2O trong chu trình Krebs. Một phân tử glucozo sau một vòng chu trình Krebs giải phóng được 36 ATP, mỗi ATP khoảng 10 Kcal/mol.

Lời giải:

Do đường glucose đã phản ứng với oxygen tạo ra carbon dioxide, hơi nước, tỏa nhiều nhiệt và giải phóng được 36 ATP nên đường glucose bù năng lượng cho cơ thể.

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 ra hỗn hợp bột màu đen:

2KMnO₄ →  K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

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

Phương pháp giải:

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.

Lời giải chi tiết:

Khi đung nóng ống nghiệm đựng KMnO₄ ( thuốc tím), nhiệt của ngọn lửa làm cho KMnO₄ bị nhiệt phân. Phản ứng đốt cháy cồn (trong đèn cồn – cung cấp nhiệt) là phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng nhiệt phân KMnO₄ là phản ứng thu nhiệt.

Giải hóa học 10 trang 83 Kết nối tri thức

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

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

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

Phương pháp giải:

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

∆_rH  > 0: phản ứng thu nhiệt

∆_rH  < 0: phản ứng tỏa nhiệt

Lời giải:

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

∆_rH  > 0: phản ứng thu nhiệt

∆_rH  < 0: phản ứng tỏa nhiệt

(1) phản ứng thu nhiệt

(2) phản ứng tỏa nhiệt

(3) phản ứng tỏa nhiệt

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

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

Phương pháp giải:

Cứ 1 mol CO được đốt cháy sẽ tỏa ra lượng nhiệt là 283,0 kJ.

Lời giải:

2,479 L khí CO tương đương với khoảng 0,11 mol

Cứ 1 mol CO được đốt cháy sẽ tỏa ra lượng nhiệt là 283,0 kJ.

=> Nhiệt lượng tỏa ra là 0,11 x 283,0 = 31,13 kJ.

Giải hóa học 10 trang 84 Kết nối tri thức

Câu hỏi 4 trang 84 Hóa học 10: Phản ứng tôi vôi tỏa 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 tối vôi.

Phương pháp giải:

- Mặc đồ bảo hộ

- Chọn địa điểm tôi vôi thoáng và rộng

- Chọn dụng cụ tôi chịu nhiệt

Lời giải:

Khi thực hiện quá trình tôi vôi trong phòng thí nghiệm cần chú ý một số biện pháp sau để đảm bảo an toàn:

- Mặc đồ bảo hộ như găng tay, kính mắt

- Chọn địa điểm tôi vôi thoáng và rộng rãi, đồ dùng khác để xa khu vực tôi

- Chọn dụng cụ tôi vôi chịu nhiệt do quá trình này tỏa lượng nhiệt lớn có thể làm hỏng dụng cụ.

Giải hóa học 10 trang 86 Kết nối tri thức

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

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

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?

Phương pháp giải:

a) Dấu của biến thiên enthalpy cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.

∆_rH  > 0: phản ứng thu nhiệt

∆_rH  < 0: phản ứng tỏa nhiệt

b) Nhiệt tạo thành càng nhỏ( năng lượng thấp) => Chất càng dễ phản ứng

Lời giải:

a. Biến thiên enthalpy của phản ứng ${△}_r{H}_{298}^o$ = -1,9 kJ < 0

=> Phản ứng tỏa nhiệt => Graphite có nhiệt tạo thành nhỏ hơn kim cương nên graphite có mức năng lượng thấp thơn.

b. Ở điều kiện chuẩn, graphite có mức năng lượng thấp nên dễ bị phá vỡ cấu trúc

=> Graphite phản ứng được với nhiều chất khác

=> Trong phản ứng trên, carbon ở dạng kim cương.

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:

Phương pháp giải:

Lời giải:

Giải hóa học 10 trang 88 Kết nối tri thức

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

Câu hỏi 7 trang 88 Hóa học 10: a) Cho biết năng lượng liên kết trong các phân tử O_2, 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.

Phương pháp giải:

Lời giải:

b) Trong N₂, liên kết giữa 2 nguyên tử là liên kết ba – một loại liên kết bển, cần 1 năng lượng rất lớn để phá vỡ liên kết đó.

=> N₂ khá trơ về mặt hóa học và chỉ phản ứng với oxy khi có nhiệt đô cao hoặc 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 phảm phản ứng đều ở thể khí.

Phương pháp giải:

Lời giải:

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).