1. Bài 17. Biến thiên Enthalpy trong phản ứng hóa học

Phản ứng nào sau đây là phản ứng toả nhiệt?

A. Phản ứng nhiệt phân muối KNO₃. 

B. Phản ứng phân huỷ khí NH₃.

C. Phản ứng oxi hoá glucose trong cơ thể.

D. Phản ứng hoà tan NH₄Cl trong nước.

Lời giải chi tiết:

- Đáp án: C

Phản ứng nào sau đây có thể tự xảy ra ở điều kiện thưởng?

A. Phản ứng nhiệt phân Cu(OH)₂.

B. Phản ứng giữa H₂ và O₂ trong hỗn hợp khí.

C. Phản ứng giữa Zn và dung dịch H₂SO₄.

D. Phản ứng đốt cháy cồn.

Lời giải chi tiết:

- Đáp án: C

- Giải thích: Do các phản ứng khác đều cần xúc tác nhiệt độ mới có thể xảy ra

Cho phản ứng hoá học xảy ra ở điều kiện chuẩn sau:

2NO₂(g) (đỏ nâu) " N₂O₄(g) (không màu)

          Biết NO₂ và N₂O₄ có \({\Delta _f}H_{298}^0\), tương ứng là 33,18 kJ/mol và 9,16 kJ/mol. Điều này chứng tỏ phản ứng

A. toả nhiệt, NO₂ bền vững hơn N₂O₄.

B. thu nhiệt, NO₂ bền vững hơn N₂O₄.

C. toả nhiệt, N₂O₄ bền vững hơn NO₂.

D. thu nhiệt, N₂O₄ bền vững hơn NO₂.

Phương pháp giải:

Dựa vào

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0 => Phản ứng tỏa nhiệt

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0 => Phản ứng thu nhiệt

- Năng lượng của chất nào thấp hơn thì bền hơn.   

Lời giải chi tiết:

- Có \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\Delta _f}H_{298}^0({N_2}{O_4}) - 2.{\Delta _f}H_{298}^0(N{O_2}) = 9,16 - 2.33,18 =  - 57,2kJ/mol\)< 0

-> Phản ứng tỏa nhiệt

- Năng lượng của N₂O₄ thấp hơn NO₂ => N₂O₄ bền hơn NO₂

=> Đáp án: C

Nung KNO₃ lên 550 °C xảy ra phản ứng:

KNO₃(s) → KNO₂(s) + \(\frac{1}{2}\)O₂ \(\Delta H\)

          Phản ứng nhiệt phân KNO₃ là

A. toả nhiệt, có \(\Delta H\)< 0.                              B. thu nhiệt, có \(\Delta H\)> 0.

C. toả nhiệt, có \(\Delta H\)> 0.                    D. thu nhiệt, có \(\Delta H\)< 0.

Phương pháp giải:

Dựa vào:

- Phản ứng cần cung cấp thêm năng lượng =>phản ứng thu nhiệt (\({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0)

- Phản ứng tỏa ra năng lượng => phản ứng tỏa nhiệt ( \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0)

Lời giải chi tiết:

- Đáp án: B

Nung nóng hai ống nghiệm chứa NaHCO₃ và P, xảy ra các phản ứng sau:

2NaHCO₃(s) => Na₂CO₃(s) + CO₂(g) + H₂O(g) (1)

4P(s) + 5O₂(g) => 2P₂O₅(s) (2)

          Khi ngừng đun nóng, phản ứng (1) dừng lại còn phản ứng (2) tiếp tục xảy ra, chứng tỏ

A. phản ứng (1) toả nhiệt, phản ứng (2) thu nhiệt.

B. phản ứng (1) thu nhiệt, phản ứng (2) toả nhiệt.

C. cả 2 phản ứng đều toả nhiệt.

D. cả 2 phản ứng đều thu nhiệt.

Phương pháp giải:

- Phản ứng cần cung cấp thêm năng lượng -> phản ứng thu nhiệt (\({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0)

- Phản ứng tỏa ra năng lượng -> phản ứng tỏa nhiệt ( \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0)

Lời giải chi tiết:

- Đáp án: B

Tiến hành quá trình ozone hóa 100 g oxygen theo phản ứng sau:

3O₂(g) (oxygen) -> 2O₃(g) (ozone)

          Hỗn hợp thu được có chứa 24% ozone về khối lượng, tiêu tốn 71,2 kJ. Nhiệt tạo thành \({\Delta _f}H_{298}^0\) của ozone (kJ/mol) có giá trị là

A. 142,4.               B. 284,8.               C. -142,4.              D. -284,8.

Phương pháp giải:

Dựa vào

- Định luật bảo toàn khối lượng

- Cách tính enthalpy của phản ứng hóa học dựa vào enthalpy tạo thành của các chất

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)}  - \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \)

          Trong đó: \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)} \) và \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn của sản phẩm và chất đầu của phản ứng

Lời giải chi tiết:

- Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng -> m_sau = m_trước = 100g

- Có \({n_{{O_3}}} = \frac{{100.24\% }}{{48}} = 0,5\)mol

=> Enthalpy của 1 mol O₃ là \({\Delta _f}H_{298}^0 = \frac{{71,2.1}}{{0,5}} = 142,4\)

-> \({\Delta _r}H_{298}^0 = 2.{\Delta _f}H_{298}^0({O_3}) - 3.{\Delta _f}H_{298}^0({O_2}) = 2.142,4 - 3.0 = 284,8kJ\)

-> Nhiệt tạo thành \({\Delta _f}H_{298}^0\) của ozone (kJ/mol) có giá trị là \({\Delta _f}H_{298}^0({O_3}) = 142,4kJ/mol\)

=> Đáp án: A

Cho phản ứng hydrogen hóa ethylene sau:

H₂C=CH₂(g) + H₂(g) -> H₃C-CH₃(g)

          Biết năng lượng liên kết trong các chất cho trong bảng sau:

          Biến thiên enthalpy (kJ) của phản ứng có giá trị là

A. 134.                 B. -134.                C. 478.                 D. 284.

Phương pháp giải:

- Cách tính enthalpy của phản ứng hóa học dựa vào năng lượng liên kết

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{E_b}(cd)}  - \sum {{E_b}(sp)} \)

          Trong đó: \(\sum {{E_b}(cd)} \) và \(\sum {{E_b}(sp)} \) là tổng năng lượng liên kết trong phân tử các chất đầu và các chất sản phẩm

Lời giải chi tiết:

- Có \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\rm{(}}{E_b}(C = C) + 4{E_b}(C - H) + {E_b}(H - H){\rm{) - (}}{E_b}(C - C) + 6.{E_b}(C - H){\rm{)}}\)

-> \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\rm{(}}612 + 4.418 + 436{\rm{)  -  (346 + 6}}{\rm{.418)  =   - 134kJ}}\)

=> Đáp án: B

Tính biến thiên enthalpy theo các phương trình phản ứng sau:

2H₂(g) + O₂(g) -> 2H₂O(l)          \(\Delta H =  - 572kJ\)

          Khi cho 2 g khí H₂ tác dụng hoàn toàn với 32 g khí O₂ thì phản ứng

A. tỏa ra nhiệt lượng 286 kJ.              B. thu vào nhiệt lượng 286 kJ.

C. tỏa ra nhiệt lượng 572 kJ.               D. thu vào nhiệt lượng 572 kJ.

Phương pháp giải:

- Tính theo mol chất hết

- So sánh số lần chênh lệch giữa mol chất hết đề cho với phương trình phản ứng ban đầu

Lời giải chi tiết:

- Có \({n_{{H_2}}} = 1\)mol, \({n_{{O_2}}} = 1\)mol -> H₂ hết, O₂ dư

-> \(Q = \frac{1}{2}\Delta H =  - 286kJ\)

=> Đáp án: A

Tính biến thiên enthalpy theo các phương trình phản ứng sau, biết nhiệt sinh của NH₃ bằng -46 kJ/mol.

N₂(g) + 3H₂(g) -> 2NH₃(g) (1)

\(\frac{1}{2}\)N₂(g) + \(\frac{3}{2}\)H₂(g) -> NH₃ (g) (2)

          So sánh \(\Delta H\) (1) và \(\Delta H\) (2). Khi tổng hợp được 1 tấn NH₃ thì nhiệt lượng toả ra hay thu vào là bao nhiêu? Tính theo hai phương trình phản ứng trên thì kết quả thu được giống nhau hay khác nhau.

Phương pháp giải:

Dựa vào

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0 -> Phản ứng tỏa nhiệt

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0 -> Phản ứng thu nhiệt

- Cách tính enthalpy của phản ứng hóa học dựa vào enthalpy tạo thành của các chất

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)}  - \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \)

          Trong đó: \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)} \) và \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn của sản phẩm và chất đầu của phản ứng   

Lời giải chi tiết:

 $$\begin{gathered} \mathrm{Có} {∆}_r{H}_{298}^0\left(1\right)=2.{∆}_f{H}_{298}^0\left({\mathrm{NH}}_3\right)-1.{∆}_f{H}_{298}^0\left(N_2\right)-3.{∆}_f{H}_{298}^0\left(H_2\right) \\ =2.(-46)-1.0-3.0=-92\mathrm{kJ} \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} {∆}_r{H}_{298}^0\left(2\right)={∆}_f{H}_{298}^0\left({\mathrm{NH}}_3\right)-\frac{1}{2}.{∆}_f{H}_{298}^0\left(N_2\right)-\frac{3}{2}.{∆}_f{H}_{298}^0\left(H_2\right) \\ =-46-\frac{1}{2}.0-\frac{3}{2}.0=-46\mathrm{kJ} \end{gathered}$$

-> Phản ứng tỏa nhiệt và \(\Delta H(1) = 2.\Delta H(2)\)

- Khi tổng hợp được 1 tấn NH3 thì lượng nhiệt tỏa ra = \(\frac{{{{10}^6}}}{{17}}.46 = 2,{71.10^6}kJ\)

- Tính theo 2 phương trình phản ứng đều ra kết quả giống nhau

Cho các phản ứng sau:

CaCO₃(s) -> CaO(s) + CO₂(g) (1)

C(graphite) + O₂₍g) -> CO₂(g) (2)

          Tính biến thiên enthalpy của các phản ứng trên. (Biết nhiệt sinh (kJ/mol) của CaCO3, CaO và CO2 lần lượt là -1207, -635 và -393,5)

Phương pháp giải:

- Cách tính enthalpy của phản ứng hóa học dựa vào enthalpy tạo thành của các chất

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)}  - \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \)

          Trong đó: \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)} \) và \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn của sản phẩm và chất đầu của phản ứng   

Lời giải chi tiết:

- Phản ứng (1) có:

$$\begin{gathered} {∆}_r{H}_{298}^0={∆}_f{H}_{298}^0\left(\mathrm{CaO}\right)+{∆}_f{H}_{298}^0\left({\mathrm{CO}}_2\right)-{∆}_f{H}_{298}^0\left({\mathrm{CaCO}}_3\right) \\ =-635+(-393,5)-(-1207)=+178,5\mathrm{kJ} \end{gathered}$$

- Phản ứng (2) có:

$$\begin{gathered} {∆}_r{H}_{298}^0={∆}_f{H}_{298}^0\left({\mathrm{CO}}_2\right)-{∆}_f{H}_{298}^0\left(C\right)-{∆}_f{H}_{298}^0\left(O_2\right) \\ =-393,5-0-0=-393,5\mathrm{kJ} \end{gathered}$$

Cho các phản ứng sau và biến thiên enthalpy chuẩn:

(1) 2NaHCO₃(s) -> Na₂CO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g) \({\Delta _r}H_{298}^0 =  + 20,33kJ\)

(2) 4NH₃(g) + 3O₂(g) -> 2N₂(g) + 6H₂O(l) \({\Delta _r}H_{298}^0 =  - 1531kJ\)

          Phản ứng nào toả nhiệt? Phản ứng nào thu nhiệt?

Phương pháp giải:

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0 -> Phản ứng tỏa nhiệt

- \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0 -> Phản ứng thu nhiệt

Lời giải chi tiết:

- Phản ứng (1) có \({\Delta _r}H_{298}^0 =  + 20,33kJ\)-> phản ứng thu nhiệt

- Phản ứng (2) có \({\Delta _r}H_{298}^0 =  - 1531kJ\)-> phản ứng tỏa nhiệ->

Phản ứng giữa khi nitrogen và oxygen chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao (3000 °C) hoặc nhờ tia lửa điện: N₂(g) + O₂(g) -> 2NO(g)

a) Phản ứng trên toả nhiệt hay thu nhiệt?

b) Bằng kiến thức về năng lượng liên kết trong phân tử các chất, hãy giải thích vì sao phản ứng trên khó xảy ra.

Phương pháp giải:

Dựa vào:

- Phản ứng cần cung cấp thêm năng lượng -> phản ứng thu nhiệt (\({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0)

- Phản ứng tỏa ra năng lượng -> phản ứng tỏa nhiệt ( \({\Delta _r}H_{298}^0\) > 0)

- Dựa vào năng lượng liên kết trong chất tham gia và sản phẩm để giải thích: Năng lượng liên kết của chất tham gia càng cao " phản ứng càng khó xảy ra và ngược lại

Lời giải chi tiết:

a) Phản ứng cần cung cấp thêm năng lượng -> phản ứng thu nhiệt (\({\Delta _r}H_{298}^0\) < 0)

b) Do năng lượng liên kết trong phân tử các chất tham gia rất lớn (N₂: 945 kJ/mol và O₂: 494 kJ/mol) so với sản phẩm (NO: 607 kJ/mol) -> phản ứng này khó xảy ra

Cho phản ứng nhiệt nhôm sau:

2Al(s) + Fe₂O₃(s) → Al₂O₃(s) + 2Fe(s)

          Biết nhiệt tạo thành, nhiệt dung của các chất (nhiệt lượng cần cung cấp để 1 kg chất đó tăng lên 1 độ) được cho trong bảng sau:

          Giả thiết phản ứng xảy ra vừa đủ, hiệu suất 100%, nhiệt độ ban đầu là 25 °C, nhiệt lượng toả ra bị thất thoát ra ngoài môi trường là 50%. Tính nhiệt độ đạt được trong lò phản ứng nhiệt nhôm.

Phương pháp giải:

- Tính biến thiên enthalpy của phản ứng: \({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)}  - \sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \)

          Trong đó: \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(sp)} \) và \(\sum {{\Delta _r}H_{298}^0(cd)} \) là tổng enthalpy tạo thành ở điều kiện chuẩn của sản phẩm và chất đầu của phản ứng   

- Tính nhiệt dung của sản phẩm

- Tính nhiệt độ tăng lên -> Nhiệt độ đạt được

Lời giải chi tiết:

- Có \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\Delta _f}H_{298}^0(A{l_2}{O_3}) + 2.{\Delta _f}H_{298}^0(Fe) - 2.{\Delta _f}H_{298}^0(Al) - {\Delta _f}H_{298}^0(F{e_2}{O_3})\)

-> \({\Delta _r}H_{298}^0 = ( - 16,37) + 2.0 - 2.0 - ( - 5,14) =  - 11,23kJ\)

- Nhiệt dung của sản phẩm là: C = 0,84 + 0,67.2 = 2,18 J/g.K

- Nhiệt độ tăng lên của phản ứng là: \(\Delta T = \frac{{11,{{23.10}^3}.50\% }}{{2,18}} = 2575,69(K)\)K

-> Nhiệt độ đạt được sau phản ứng = 25 + 273 + 2575,69 = 2873,69 K

Cho phản ứng đốt cháy butane sau:

C₄H₁₀(g) + O₂(g) -> CO₂(g) + H₂O(g) (1)

          Biết năng lượng liên kết trong các hợp chất cho trong bảng sau:

a) Cân bằng phương trình phản ứng (1).

b) Xác định biến thiên enthalpy (\({\Delta _r}H_{298}^0\)) của phản ứng (1).

c) Một bình gas chứa 12 kg butane có thể đun sôi bao nhiêu ấm nước? (Giả thiết mỗi ấm nước chứa 2L nước ở 25 °C, nhiệt dung của nước là 4,2J/g.K, có 40% nhiệt đốt cháy butane bị thất thoát ra ngoài môi trường)

Phương pháp giải:

- Cách tính enthalpy của phản ứng hóa học dựa vào năng lượng liên kết

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {{E_b}(cd)}  - \sum {{E_b}(sp)} \)

          Trong đó: \(\sum {{E_b}(cd)} \) và \(\sum {{E_b}(sp)} \) là tổng năng lượng liên kết trong phân tử các chất đầu và các chất sản phẩm

Lời giải chi tiết:

a)  C₄H₁₀(g) + \(\frac{{13}}{2}\)O₂(g) " 4CO₂(g) + 5H₂O(g) (1)

b) - Có \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\rm{(3}}{\rm{.}}{E_b}(C - C) + 10.{E_b}(C - H) + \frac{{13}}{2}.{E_b}(O = O){\rm{) - (8}}{\rm{.}}{E_b}(C = O) + 10.{E_b}(O - H){\rm{)}}\)

" \({\Delta _r}H_{298}^0 = {\rm{(3}}.346 + 10.418 + \frac{{13}}{2}.495{\rm{) - (8}}.799 + 10.467{\rm{)  =   - 2626,5}}kJ\)

c) - Nhiệt lượng khi đốt cháy 12kg butane là \(Q = \frac{{{{12.10}^3}}}{{58}}.2626,5 = 543413,79kJ\)

- Nhiệt lượng cần để đun sôi 1 ấm nước là \(C = {2.10^3}.4,2.(100 - 25) = 630000J = 630kJ\)

- Số ấm nước có thể đun sôi là: \(\frac{{543413,79}}{{630}}.60\%  = 517,5\)(ấm nước)