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

Mở đầu

Câu hỏi mở đầu SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 81): 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?

Trả lời:

- Sau khi chơi thể thao, cơ thể mệt mỏi do glucose bị phân giải nhiều dẫn đến cơ thể bị thiếu hụt glucose, nếu uống một cốc nước hoa quả, trong hoa quả có đường glucose sẽ được cơ thể hấp thụ phản ứng với oxygen tạo ra carbon dioxide, hơi nước, tỏa nhiều nhiệt và giải phóng được 36 ATP, bù năng lượng cho cơ thể. Chính điều này đã làm em cảm thấy khỏe hơn. Quá trình phân giải glucose trong cơ thể thực hiện qua 2 giai đoạn. Một phân tử glucozo sau một vòng chu trình Krebs giải phóng được 36 ATP, mỗi ATP khoảng 10 Kcal/mol. 

I. Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt

Câu hỏi 1 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 81): 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.

Trả lời:

* Phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt:

Giải thích: 

- Khi đung nóng ống nghiệm đựng KMnO₄ (thuốc tím), nhiệt của ngọn lửa làm cho KMnO₄ bị nhiệt phân tạo ra hỗn hợp bột màu đen.

+ Phản ứng nhiệt phân KMnO₄ là phản ứng thu nhiệt vì phản ứng nó cần cung cấp nhiệt độ.

+ Phản ứng đốt cháy cồn (trong đèn cồn – cung cấp nhiệt) là phản ứng tỏa nhiệt.

Hoạt động mục 1 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 82): 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?

Trả lời:

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

⇒ 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 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 83): Cho các phương trình nhiệt hóa học:

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

Trả lời:

- Phản ứng thu nhiệt: (1)

- Phản ứng tỏa nhiệt: (2), (3).

Câu hỏi 3 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 83): 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?

Trả lời:

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.

Câu hỏi 4 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 84): 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 tôi vôi.

Trả lời:

- Không để vôi tôi tiếp xúc với các bộ phận trên cơ thể, mặc đầy đủ trang phục bảo hộ.

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

- Làm rào chắn, biển báo để cảnh báo những người xung quanh.

- Cần chuẩn bị các biện pháp giảm nhiệt tỏa ra.

- Tránh xa hố đang tôi vôi.

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

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

Câu hỏi 5 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 86): Cho phản ứng:

C (kim cương) → C (graphite) $\Delta _{r}H_{298}^{0}kJ$

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?

Trả lời:

a) Phản ứng: kim cương ⟶ graphite có $\Delta _{r}H_{298}^{0}kJ$ chứng tỏ phản ứng xảy ra tỏa ra nhiệt lượng là 1,9kJ.

⇒ Dạng 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 graphite.

Câu hỏi 6 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 86): Từ số liệu Bảng 17.1, hãy xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethane: $C_{2}H_{6}(g)+\frac{7}{2}O_{2}(g)\overset{t^{0}}{\rightarrow}2CO_{2}(g)+3H_{2}O(/)$

Trả lời:

* Cách xác định thứ nhất:

$\Delta _{r}H_{298}^{0}=\sum \Delta _{r}H_{298}^{0}(sp)-\sum \Delta _{r}H_{298}^{0}(cd)$

$=2.(-393,5)+3.(-285,8)-(-84,7)-\frac{7}{2}.0=-1559,7kJ$

* Cách xác định thứ hai:

$\sum \Delta _{f}H_{298}^{0}(cd)=\Delta _{f}H_{298}^{0}(C_{2}H_{6}(g)).1+\Delta _{f}H_{298}^{0}(O_{2}(g)).\frac{7}{2}=(-84,7.1)+0=-84,7(kJ)$

Tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm là:

$\sum \Delta _{f}H_{298}^{0}(sp)=\Delta _{f}H_{298}^{0}(CO_{2}(g)).2+\Delta _{f}H_{298}^{0}(H_{2}O(l)).3$ = (-393,5.2) + (-285,8.3) = - 1644,4 (kJ)

⇒ Biến thiên enthalpy của phản ứng:

$\Delta _{r}H_{298}^{0}=\sum \Delta _{f}H_{298}^{0}(sp)-\sum \Delta _{f}H_{298}^{0}(cd)=-1559,7kJ$

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

Câu hỏi 7 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 88):

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.

Trả lời:

Trả lời:

a)

$$\Delta _{r}H_{298}^{0}=\begin{bmatrix}E_{b}(N\equiv N).1+E_{b}(O\equiv O).1\end{bmatrix}-E_{b}(NO).2=\begin{bmatrix}945.1+494.1\end{bmatrix}-607.2=225(kJ)$$

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.

$\Delta _{r}H_{298}^{0}=225 kJ$ tức là 1 mol N₂ (g) phản ứng với 1 mol O₂ (g) cần cung cấp 225kJ.

=> N₂ khá trơ về mặt hóa học và chỉ phản ứng với oxy khi có nhiệt đô cao hoặc có tia lửa điện.

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.

$\Delta _{r}H_{298}^{0}=225 kJ$ tức là 1 mol N₂ (g) phản ứng với 1 mol O₂ (g) cần cung cấp 225kJ.

=> 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 SGK Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 17 (trang 88): 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.

Trả lời:

* Cách tính thứ nhất:

 C₄H₁₀ + $\frac{13}{2}$ O₂ → 4CO₂ + 5H₂O

- Biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy butane theo năng lượng liên kết: 3.346 + 10.418 + $\frac{13}{2}$ . 494 - 4.2.732 – 5.2.459 = -2017 kJ

* Cách tính thứ hai:

Ta có phương trình hóa học: C₄H₁₀ (g) + $\frac{13}{2}$O₂(g) $\overset{t^{o}}{\rightarrow}$ 4CO₂ (g) + 5H₂O (g)

$\sum E_{b}(cd)=3.E_{b}(C-C)+10.E_{b}(C-H)+\frac{13}{2}.E_{b}(O=O)=3.346+10.418+6,5.494=8429kJ$

$\sum_{b}^{E}(sp)=8.E_{b}(C=O)+10.E_{b}(O-H)=8.732+10.459=10446kJ$

=> Biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy butane là: $\Delta _{r}H_{298}^{0}=\sum E_{b}(cd)-\sum E_{b}(sp)=-2017kJ$