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.