Bài tập Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học có đáp án

CH$_{4}$(g) + 2O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ CO$_{2}$(g) + 2H$_{2}$O(l)

Biến thiên enthalpy của phản ứng cháy của methane có thể được tính theo hai cách:

- Cách 1: Dựa vào nhiệt tạo thành chuẩn của các chất.

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=\sum {Δ}_{f}{H}_{298}^{0}(sp)-\sum {Δ}_{f}{H}_{298}^{o}(c\text{d})$

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CO$_{2}$) + 2.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(H$_{2}$O) – ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CH$_{4}$) – 2.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(O$_{2}$)

- Cách 2: Dựa vào năng lượng liên kết của các chất.

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=\sum {E}_{b}(c\text{d})-\sum {E}_{b}(sp)$

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = E$_{b}$(CH$_{4}$) + 2.E$_{b}$(O$_{2}$) – E$_{b}$(CO$_{2}$) – 2.E$_{b}$(H$_{2}$O)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = 4.E$_{b(C-H)}$+ 2.E$_{b(O=O)}$– 2. E$_{b(C=O)}$– 2.2.E$_{b(O-H)}$

N$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}/\ tia\ lửa\text{đ}iện}{\rightarrow }$ 2NO(g)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = E$_{b}$(N$_{2}$) + E$_{b}$(O$_{2}$) – 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

Ta thấy để phá vỡ 1 liên kết N≡N và 1 liên kết O=O để hình thành 2 liên kết N-O cần cung cấp nhiệt lượng lớn (229 kJ).

⇒ Cần thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc có tia lửa điện thì phản ứng mới xảy ra.

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = E$_{b}$(CH$_{4}$) + E$_{b}$(Cl$_{2}$) – E$_{b}$(CH$_{3}$Cl) – 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.

2H$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 2H$_{2}$O(g) (1)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(1)}$ = 2.E$_{b}$(H$_{2}$) + E$_{b}$(O$_{2}$) – 2.E$_{b}$(H$_{2}$O)

∆$_{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

C$_{7}$H$_{16}$(g) + 11O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 7CO$_{2}$(g) + 8H$_{2}$O(g) (2)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(2)}$ = E$_{b}$(C$_{7}$H$_{16}$) + 11.E$_{b}$(O$_{2}$) – 7.E$_{b}$(CO$_{2}$) – 8.E$_{b}$(H$_{2}$O)

∆$_{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)}$

Tuy nhiên ${M}_{{H}_{2}}=2amu;$ có ${Δ}_{r}{H}_{298}^{0}=-506kJ$ còn ${M}_{{C}_{7}{H}_{16}}=100amu;$ có ${Δ}_{r}{H}_{298}^{0}=-3734kJ$

Nếu lấy cùng khối lượng nhiên liệu chứng tỏ hydrogen là một loại khí có nhiệt cháy rất cao.

Thực tế hydrogen là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các nhiên liệu trong thiên nhiên, đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Hydrogen là nguồn nhiên liệu an toàn, không gây sự cố cho môi trường, sản phẩm cháy chỉ là nước, được gọi là nhiên liệu sạch, lý tưởng.

3O$_{2}$(g) → 2O$_{3}$(g) (1)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(1)}$= 3.E$_{b}$(O$_{2}$) – 2.E$_{b}$(O$_{3}$)

∆$_{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

2O$_{3}$(g) → 3O$_{2}$(g) (2)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(2)}$= 2.E$_{b}$(O$_{3}$) - 3.E$_{b}$(O$_{2}$)

∆$_{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

⇒Phản ứng (2) xảy ra thuận lợi hơn

Bên cạnh đó O$_{3}$ kém bền hơn O$_{2}$

⇒ ∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ càng âm, chất tạo ra càng bền hơn.

4C$_{3}$H$_{5}$O$_{3}$(NO$_{2}$)$_{3}$(s) → 6N$_{2}$(g) + 12CO$_{2}$(g) + 10H$_{2}$O(g) + O$_{2}$(g)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = 6.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(N$_{2}$) + 12. ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CO$_{2}$) + 10. ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(H$_{2}$O) + ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(O$_{2}$) – 4. ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(C$_{3}$H$_{5}$O$_{3}$(NO$_{2}$)$_{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 và có khả năng sát thương cao.

⇒ Trinitroglycerin được ứng dụng làm thành phần thuốc súng không khói.

- Giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng có liên quan tới hệ số các chất trong phương trình nhiệt hóa học.

Khi tính giá trị biến thiên enthalpy của phản ứng thì cần nhân hệ số tỉ lượng với enthalpy tạo thành của các chất tương ứng.

- 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$^{o}$C (hay 298K)

CS$_{2}$(l) + 3O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ CO$_{2}$(g) + 2SO$_{2}$(g) (1)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(1)}$= 1.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CO$_{2}$) + 2.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(SO$_{2}$) - 1.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CS$_{2}$) – 3.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(O$_{2}$)

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

4NH$_{3}$(g) + 3O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 2N$_{2}$(g) + 6H$_{2}$O(g) (2)

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$$_{(2)}$ = 2.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(N$_{2}$) + 6.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(H$_{2}$O) - 4.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(NH$_{3}$) – 3.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(O$_{2}$)

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

Đốt cháy 1 mol C$_{6}$H$_{6}$(l) tỏa ra 3267,52 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy $\frac{1}{78}$ mol C$_{6}$H$_{6}$(l) tỏa ra là $\frac{1}{78}$.3267,52 = 41,89 kJ nhiệt lượng

$C3H8(g)+5O2(g)3CO2(g)+4H2O(g)$

∆$_{r}$ = 3.∆$_{f}$ (CO$_{2}$) + 4. ∆$_{f}$ (H$_{2}$O) - ∆$_{f}$ (C$_{3}$H$_{8}$) – 5.∆$_{f}$ (O$_{2}$)

∆$_{r}$ = 3.(-393,50) + 4.(-241,82) – (-105,00) - 5.0

∆$_{r}$ = -2042,78 kJ

1,0 gam C$_{3}$H$_{8}$(g) ứng với $\frac{1}{44}$ mol C$_{3}$H$_{8}$(g)

Đốt cháy 1 mol C$_{3}$H$_{8}$(g) tỏa ra 2042, 78 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy $\frac{1}{44}$ mol C$_{3}$H$_{8}$(g) tỏa ra là $\frac{1}{44}$.2042, 78= 46, 42 kJ nhiệt lượng

Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g propane C$_{3}$H$_{8}$(g) nhiều hơn khi đốt cháy hoàn toàn 1,0 g benzenne C$_{6}$H$_{6}$(l).

a) 74,6 g SO$_{2}$tương ứng với $\frac{74{,}6}{64}$ mol SO$_{2}$

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol SO$_{2}$(g) sinh ra 98,5 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy hoàn toàn $\frac{74{,}6}{64}$ mol SO$_{2}$(g) sinh ra 98,5. $\frac{74{,}6}{64}$ = 114,81 kJ nhiệt lượng

b) Lượng nhiệt giải phóng ra khi chuyển 1 mol SO$_{2}$ thành 1 mol SO$_{3}$ là 98,5 kJ

⇒ Lượng nhiệt cần cung cấp để phân hủy 1 mol SO$_{3}$cũng là 98,5 kJ

⇒ Giá trị ∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ của phản ứng: SO$_{3}$(g) → SO$_{2}$(g) + $\frac{1}{2}$O$_{2}$(g) là +98,5 kJ.

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.

C$_{3}$H$_{8}$(g) + 5O$_{2}$(g) $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 3CO$_{2}$(g) + 4H$_{2}$O(g)

Tính theo nhiệt tạo thành của hợp chất:

∆$_{r}$${H}_{298}^{o}$ = 3.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(CO$_{2}$) + 4. ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(H$_{2}$O) - ∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(C$_{3}$H$_{8}$) – 5.∆$_{f}$${H}_{298}^{o}$(O$_{2}$)

∆$_{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$_{b}$(C$_{3}$H$_{8}$) + 5.E$_{b}$(O$_{2}$) – 3E$_{b}$(CO$_{2}$) – 4E$_{b}$(H$_{2}$O)

∆${H}_{298}^{o}$ = 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

Nhận xét: Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào nhiệt tạo thành có giá trị -2 042,78 kJ âm hơn so với biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết – 1718 kJ.