Câu hỏi mở đầu trang 81

Đề bài: 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, nghỉ ngơi một vài phút, sau đó 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:

Đúng, đường glucose đã “cháy” và cấp bù năng lượng cho cơ thể.

Khi cơ thể hoạt động (chơi thể thao), năng lượng được tiêu hao. Khi uống nước hoa quả, glucose được hấp thụ vào máu và tham gia phản ứng với oxygen (phản ứng tương tự sự đốt cháy) trong tế bào, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và năng lượng dự trữ → giúp cơ thể khoẻ hơn.

I. Phản ứng toả nhiệt, phản ứng thu nhiệt

Câu 1 trang 81

Đề bài: Khi đun nóng ống nghiệm đựng $\text{KMnO}_4$ (thuốc tím), nhiệt của ngọn lửa làm cho $\text{KMnO}_4$ bị nhiệt phân, tạo hỗn hợp bột màu đen:

$$2\text{KMnO}_4(s) \to \text{K}_2\text{MnO}_4(s) + \text{MnO}_2(s) + \text{O}_2(g)$$

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

Lời giải:

Phản ứng cần được cung cấp nhiệt từ ngọn lửa thì mới xảy ra (nhiệt phân) → phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt.

→ Phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt.

Hoạt động Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của phản ứng trung hoà trang 82

Đề bài: Tiến hành thí nghiệm trộn 50 mL dung dịch HCl 0,5 M với 50 mL dung dịch NaOH 0,5 M trong cốc và theo dõi nhiệt độ.

1. Nhiệt độ trên nhiệt kế thay đổi như thế nào sau khi rót dung dịch NaOH vào cốc? Phản ứng trung hoà là phản ứng 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, nhiệt độ trên nhiệt kế tăng lên.

Phương trình phản ứng: $\text{HCl} + \text{NaOH} \to \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$

→ Phản ứng trung hoà là phản ứng toả nhiệt (giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, làm dung dịch nóng lên).

2) Nếu thay bằng các dung dịch loãng hơn thì số mol HCl và NaOH tham gia phản ứng ít hơn → nhiệt lượng toả ra ít hơn → nhiệt độ tăng ít hơn so với thí nghiệm trên.

II. Biến thiên enthalpy của phản ứng

Câu 2 trang 83

Đề bài: Cho các phương trình nhiệt hoá học:

(1) $\text{CaCO}_3(s) \to \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g) \quad \Delta_r H^o_{298} = +176{,}0$ kJ

(2) $\text{C}_2\text{H}_4(g) + \text{H}_2(g) \to \text{C}_2\text{H}_6(g) \quad \Delta_r H^o_{298} = -137{,}0$ kJ

(3) $\text{Fe}_2\text{O}_3(s) + 2\text{Al}(s) \to \text{Al}_2\text{O}_3(s) + 2\text{Fe}(s) \quad \Delta_r H^o_{298} = -851{,}5$ kJ

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

Lời giải:

Áp dụng quy tắc dấu của biến thiên enthalpy:

• $\Delta_r H > 0$: phản ứng thu nhiệt.
• $\Delta_r H < 0$: phản ứng toả nhiệt.

Xét từng phản ứng:

Kết luận: Phản ứng (2), (3) là phản ứng toả nhiệt; phản ứng (1) là phản ứng thu nhiệt.

Câu 3 trang 83

Đề bài: Biết phản ứng đốt cháy khí carbon monoxide (CO) như sau:

$$\text{CO}(g) + \dfrac{1}{2}\text{O}_2(g) \to \text{CO}_2(g) \quad \Delta_r H^o_{298} = -283{,}0 \text{ kJ}$$

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

Lời giải:

Bước 1: Tính số mol khí CO.

Ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar), 1 mol khí có thể tích 24,79 L. Vậy:

$$n_{\text{CO}} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1 \text{ (mol)}$$

Bước 2: Tính nhiệt lượng toả ra.

Theo phương trình, cứ 1 mol CO cháy thì toả ra 283,0 kJ. Vậy với 0,1 mol CO:

$$Q = 0{,}1 \cdot 283{,}0 = 28{,}3 \text{ (kJ)}$$

Kết luận: Nhiệt lượng toả ra là 28,3 kJ.

Câu 4 trang 84

Đề bài: 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:

Phản ứng tôi vôi: $\text{CaO} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Ca(OH)}_2$ toả ra nhiệt lượng lớn, có thể làm nước sôi và bắn nước vôi gây bỏng. Các biện pháp đảm bảo an toàn:

• Đeo đồ bảo hộ: găng tay, kính bảo hộ, khẩu trang, ủng.
• Cho vôi từ từ vào nước (không làm ngược lại) và khuấy đều, tránh để vôi bắn ra ngoài.
• Đứng xa hố tôi vôi, không nghiêng người vào, tránh nước vôi bắn lên người.
• Thực hiện ở nơi thoáng mát, có rào chắn xung quanh hố tôi vôi.
• Không cho trẻ em đến gần khu vực tôi vôi.
• Sau khi tôi xong, đợi nguội hoàn toàn rồi mới sử dụng.

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

Câu 5 trang 86

Đề bài: Cho phản ứng:

$$\text{C(kim cương)} \to \text{C(graphite)} \quad \Delta_r H^o_{298} = -1{,}9 \text{ kJ}$$

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 $\text{CO}_2(g)$: $\text{C}(s) + \text{O}_2(g) \to \text{CO}_2(g)$, carbon ở dạng kim cương hay graphite?

Lời giải:

a) Vì $\Delta_r H^o_{298} = -1{,}9$ kJ < 0 → phản ứng C(kim cương) → C(graphite) là phản ứng toả nhiệt → kim cương đã giải phóng năng lượng để chuyển thành graphite.

→ Graphite có mức năng lượng thấp hơn kim cương (graphite bền hơn kim cương).

b) Theo định nghĩa, nhiệt tạo thành được xác định khi đơn chất ở dạng bền vững nhất. Vì graphite bền hơn kim cương nên trong phản ứng xác định nhiệt tạo thành của $\text{CO}_2(g)$, carbon ở dạng graphite.

Câu 6 trang 86

Đề bài: Từ số liệu Bảng 17.1, hãy xác định biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng đốt cháy ethane:

$$\text{C}_2\text{H}_6(g) + \dfrac{7}{2}\text{O}_2(g) \xrightarrow{t^o} 2\text{CO}_2(g) + 3\text{H}_2\text{O}(l)$$

Lời giải:

Bước 1: Tra Bảng 17.1 nhiệt tạo thành chuẩn của các chất:

• $\Delta_f H^o_{298}(\text{C}_2\text{H}_6(g)) = -84{,}7$ kJ/mol
• $\Delta_f H^o_{298}(\text{O}_2(g)) = 0$ kJ/mol (đơn chất dạng bền)
• $\Delta_f H^o_{298}(\text{CO}_2(g)) = -393{,}5$ kJ/mol
• $\Delta_f H^o_{298}(\text{H}_2\text{O}(l)) = -285{,}8$ kJ/mol

Bước 2: Áp dụng công thức:

$$\Delta_r H^o_{298} = \sum \Delta_f H^o_{298}(\text{sp}) – \sum \Delta_f H^o_{298}(\text{cđ})$$

Bước 3: Tính tổng nhiệt tạo thành các chất sản phẩm:

$$\sum \Delta_f H^o_{298}(\text{sp}) = 2 \cdot (-393{,}5) + 3 \cdot (-285{,}8) = -787{,}0 + (-857{,}4) = -1644{,}4 \text{ (kJ)}$$

Bước 4: Tính tổng nhiệt tạo thành các chất đầu:

$$\sum \Delta_f H^o_{298}(\text{cđ}) = (-84{,}7) + \dfrac{7}{2} \cdot 0 = -84{,}7 \text{ (kJ)}$$

Bước 5: Tính biến thiên enthalpy:

$$\Delta_r H^o_{298} = -1644{,}4 – (-84{,}7) = -1559{,}7 \text{ (kJ)}$$

Kết luận: $\Delta_r H^o_{298} = -1559{,}7$ kJ → phản ứng đốt cháy ethane là phản ứng toả nhiệt.

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

Câu 7 trang 88

Đề bài:

a) Cho biết năng lượng liên kết trong các phân tử $\text{O}_2$, $\text{N}_2$ và NO lần lượt là 494 kJ/mol, 945 kJ/mol và 607 kJ/mol. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:

$$\text{N}_2(g) + \text{O}_2(g) \to 2\text{NO}(g)$$

b) Giải thích vì sao nitrogen chỉ phản ứng với oxygen ở nhiệt độ cao hoặc khi có tia lửa điện.

Lời giải:

a) Tính biến thiên enthalpy chuẩn:

Phân tử $\text{N}_2$ có 1 liên kết ba (N≡N), $\text{O}_2$ có 1 liên kết đôi (O=O), mỗi phân tử NO có 1 liên kết giữa N và O.

Áp dụng công thức:

$$\Delta_r H^o_{298} = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp})$$

$$\Delta_r H^o_{298} = [E_b(\text{N}_2) + E_b(\text{O}_2)] – 2 \cdot E_b(\text{NO})$$

$$\Delta_r H^o_{298} = (945 + 494) – 2 \cdot 607 = 1439 – 1214 = +225 \text{ (kJ)}$$

b) Giải thích:

Vì $\Delta_r H^o_{298} = +225$ kJ > 0 → phản ứng là phản ứng thu nhiệt, cần hấp thụ năng lượng lớn để phá vỡ liên kết ba N≡N rất bền trong phân tử $\text{N}_2$.

→ Phản ứng chỉ xảy ra khi được cung cấp năng lượng đủ lớn, tức là ở nhiệt độ cao hoặc khi có tia lửa điện (như trong sấm sét).

Câu 8 trang 88

Đề bài: 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:

Bước 1: Viết phương trình hoá học (sản phẩm ở thể khí, $\text{H}_2\text{O}$ ở dạng hơi):

$$\text{C}_4\text{H}_{10}(g) + \dfrac{13}{2}\text{O}_2(g) \xrightarrow{t^o} 4\text{CO}_2(g) + 5\text{H}_2\text{O}(g)$$

Bước 2: Đếm các liên kết trong từng phân tử:

• $\text{C}_4\text{H}_{10}$ (butane: $\text{CH}_3 – \text{CH}_2 – \text{CH}_2 – \text{CH}_3$): 3 liên kết C−C + 10 liên kết C−H.
• $\text{O}_2$: 1 liên kết O=O.
• $\text{CO}_2$: 2 liên kết C=O.
• $\text{H}_2\text{O}$: 2 liên kết O−H.

Bước 3: Tra Bảng 12.2 năng lượng liên kết (theo SGK):

• $E_b(\text{C}-\text{C}) = 347$ kJ/mol
• $E_b(\text{C}-\text{H}) = 413$ kJ/mol
• $E_b(\text{O}=\text{O}) = 498$ kJ/mol
• $E_b(\text{C}=\text{O}) = 799$ kJ/mol
• $E_b(\text{O}-\text{H}) = 467$ kJ/mol

Bước 4: Tính tổng năng lượng liên kết của các chất đầu:

$$\sum E_b(\text{cđ}) = 3 \cdot 347 + 10 \cdot 413 + \dfrac{13}{2} \cdot 498$$

$$= 1041 + 4130 + 3237 = 8408 \text{ (kJ)}$$

Bước 5: Tính tổng năng lượng liên kết của các sản phẩm:

$$\sum E_b(\text{sp}) = 4 \cdot 2 \cdot E_b(\text{C}=\text{O}) + 5 \cdot 2 \cdot E_b(\text{O}-\text{H})$$

$$= 8 \cdot 799 + 10 \cdot 467 = 6392 + 4670 = 11062 \text{ (kJ)}$$

Bước 6: Tính biến thiên enthalpy:

$$\Delta_r H^o_{298} = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp}) = 8408 – 11062 = -2654 \text{ (kJ)}$$

Kết luận: $\Delta_r H^o_{298} = -2654$ kJ → phản ứng đốt cháy butane là phản ứng toả nhiệt mạnh.

Em có thể

Tính được biến thiên enthalpy của một số phản ứng khi biết nhiệt tạo thành hoặc năng lượng liên kết của các chất

Lời giải:

Để tính biến thiên enthalpy của một phản ứng, áp dụng một trong hai công thức sau:

1) Tính theo nhiệt tạo thành (áp dụng cho mọi phản ứng):

$$\Delta_r H^o_{298} = \sum \Delta_f H^o_{298}(\text{sp}) – \sum \Delta_f H^o_{298}(\text{cđ})$$

Trong đó nhiệt tạo thành của các đơn chất ở dạng bền nhất bằng 0.

→ Đã vận dụng ở Câu 6 để tính $\Delta_r H^o_{298}$ của phản ứng đốt cháy ethane: −1559,7 kJ.

2) Tính theo năng lượng liên kết (chỉ áp dụng khi tất cả các chất đều ở thể khí):

$$\Delta_r H^o_{298} = \sum E_b(\text{cđ}) – \sum E_b(\text{sp})$$

→ Đã vận dụng ở Câu 7 (phản ứng tạo NO: +225 kJ) và Câu 8 (phản ứng đốt cháy butane: −2654 kJ).

Lưu ý khi tính:

• Khi tính, cần nhân hệ số của chất trong phương trình hoá học với giá trị nhiệt tạo thành hoặc năng lượng liên kết tương ứng.
• Dấu của $\Delta_r H$ cho biết phản ứng toả nhiệt ($< 0$) hay thu nhiệt ($> 0$).
• Giá trị tuyệt đối của $\Delta_r H$ càng lớn thì nhiệt lượng toả ra hoặc thu vào càng nhiều.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ