Sáng kiến kinh nghiệm Hóa học 12: Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học

BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> A. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br />  I. LỜI MỞ ĐẦU: <br /> <br /> Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên là làm sao có <br /> thể phát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tư duy một cách tốt nhất  <br /> đặc biệt là trong bộ  môn Hóa học (môn học nghiên cứu và sáng tạo). Việc vận dụng các  <br /> kiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quá trình rất tốt để học sinh có thể phát triển  <br /> tư duy cho học sinh.<br /> <br /> Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự  học, tự  sáng tạo của học sinh thì giáo  <br /> viên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp các bài <br /> tập phù hợp với mức độ yêu cầu của các kỳ  thi. Trong quá trình giảng dạy đặc biệt là dạy  <br /> đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một  <br /> số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâu kiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài  <br /> liệu và việc tự  học sinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là  <br /> rất khó.Vì vậy thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho  <br /> học sinh cũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh. Với ý <br /> định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ  thống về  lý thuyết  <br /> cũng như  một số  dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về  bài toán  <br /> nhiệt hóa học­ cân bằng hóa học . Dĩ nhiên phương pháp này nó là sự kết hợp giữa lý thuyết  <br /> mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổ thông.<br /> <br /> II. THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: <br /> <br /> * Thực trạng :<br /> <br /> Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổ thông đặc biệt <br /> là trong các kỳ  thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên . Vấn đề  đặt ra là khi gặp một bài toán ở  <br /> dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình cơ bản ( Bài toán nhiệt động và cân  <br /> bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và thường không làm được. <br /> <br /> Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảng dạy thêm cho  <br /> học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bài  tập liên quan cho học sinh <br /> đặc biệt là những kiến thức  nâng cao nhằm phục vụ cho các kỳ thi quan trọng.<br /> <br /> * Kết quả, hiệu quả:<br /> <br /> Với thực trạng nêu trên với những học sinh có kỹ  năng tốt sẽ  suy luận để  đưa ra <br /> những cách giải hợp lý không không giải được. Từ đó ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu các  <br /> <br /> <br /> 1<br />  BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> kiến thức mới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinh còn nhiều hạn chế  và  <br /> chưa phù hợp với mức độ của các kỳ thi.<br /> <br /> Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói <br /> quen khi gặp các vấn đề  mới mà trong chương trình phổ  thông còn hạn chế  thì giáo viên <br /> phải là người đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tự học kiến thức mới và đưa ra  <br /> các phương pháp phù hợp. Do đó trong quá trình giảng dạy tôi có đưa ra một phương pháp  <br /> giải nhanh bài toán hóa học : Bài toán nhiệt hóa học – cân bằng hóa học. <br /> <br /> Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra một trong những  phần kiến thức  <br /> và một số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi. Nội dung được thiết lập và  được sử <br /> dụng có hiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở  rộng thông qua nội dung kiến thức,  <br /> sự tích lũy thành những kiến thức căn bản nhất cho học sinh trong chuyên đề. <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2<br />  BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> B. CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN:<br /> <br /> ­ Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh: <br /> <br /> * PHẦN 1: HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHO HỌC SINH:<br /> <br /> I. Phần 1:<br /> <br />  Cung cáp lý thuyết cho học sinh về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa học<br /> <br /> A. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học<br /> <br /> I. Hệ:<br /> <br /> 1. Khái niệm:<br /> <br /> * Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian xác định.<br /> <br /> * Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.<br /> <br /> * Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi trường ngoài.<br /> <br /> * Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.<br /> <br /> * Hệ  đồng thể  là hệ  mà trong đó không có sự  phân chia thành các khu vực khác nhau với <br /> những<br /> <br />    tính chất khác nhau. Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất.<br /> <br /> * Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau.<br /> <br /> 2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ:<br /> <br /> * Các đại lượng dung độ  (khuếch độ) là các đại lượng phụ  thuộc vào lượng chất như <br /> khối lượng, thể  tích …Các đại lượng này có tính chất cộng.<br /> <br /> * Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ,  <br /> áp suất, khối lượng riêng…<br /> <br /> B. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng<br /> <br /> I. Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay hấp thụ <br /> trong phản ứng đó.<br /> <br /> II. Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt:<br /> <br /> 1. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:<br /> <br /> <br /> 3<br />  BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn  Ho  của một chất là hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng tạo  <br /> thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn. <br /> <br /> * Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn  Ho của đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện <br /> tiêu chuẩn bằng không.<br /> <br /> Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu  ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ  một mol chất  <br /> đó thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn.<br /> <br /> Như  vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trị  bằng nhau  <br /> nhưng trái dấu.<br /> <br /> 2. Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất:  là hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng đốt cháy một  <br /> mol chất đó bằng O2  để  tạo thành các sản phẩm  ở  dạng bền vững nhất  ở  điều kiện tiêu  <br /> chuẩn.<br /> <br /> 3. Nhiệt hoà tan của một chất: là hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan một mol chất đó.<br /> <br /> III. Định luật Hess<br /> <br /> “Hiệu  ứng nhiệt của một phản  ứng hoá học chỉ  phụ  thuộc vào trạng thái đầu của các <br /> chất phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai  <br /> đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từ trạng thái đầu tới trạng thái  <br /> cuối”.<br /> <br /> IV. Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng<br /> <br /> 1.  Phương pháp thực nghiệm:<br /> <br /> Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể  xác định hiệu  ứng nhiệt của phản  <br /> ứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng kế được bố <br /> trí sao cho không có sự  trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Nó gồm một thùng lớn  <br /> đựng nước, trong đó nhúng ngập một bom nhiệt lượng kế, đây là nơi thực hiện phản  ứng <br /> hoá học. Trong thùng còn đặt một nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que  <br /> khuấy để để duy trì cân bằng nhiệt trong cả hệ.<br /> <br /> Phản  ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng giải phóng ra <br /> (phương pháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ và làm tăng <br /> nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2. Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau:<br /> <br /> <br /> Q = C(T2 – T1)<br /> (1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K))<br /> <br /> <br /> 4<br />  BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng.<br /> <br /> 2. Phương pháp xác định gián tiếp.<br /> <br /> Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các quá trình  <br /> đã cho bằng các cách sau:<br /> <br /> (1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học.<br /> <br /> (2) Cộng đại số các quá trình.<br /> <br /> (3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất:<br /> <br /> Hiệu ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm trừ tổng  <br /> sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).<br /> <br /> (4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất:<br /> <br /> Hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia trừ  tổng  <br /> thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).<br /> <br /> (5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết<br /> <br /> Hiệu ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các <br /> liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết  <br /> trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).<br /> <br /> B. Nguyên lý I nhiệt động học<br /> <br /> I. Nội dung<br /> <br /> Nội dung của nguyên lý I nhiệt động học là sự bảo toàn năng lượng: <br /> <br /> “Năng lượng không thể sinh ra cũng như không thể tự biến mất mà chỉ có thể chuyển từ <br /> dạng này sang dạng khác”.<br /> <br /> II. Nội năng U và entanpi H<br /> <br /> * Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, bao gồm: năng  <br /> lượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử, năng lượng liên kết, <br /> năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử …<br /> <br /> * Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác định được sự <br /> biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Giả sử ở trạng thái  <br /> đầu 1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W và chuyển thành trạng thái 2 thì  <br /> <br /> <br /> <br /> 5<br />  BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC<br /> <br /> biến thiên nội năng của hệ là: U = Q + W (Qui  ước hệ  nhận nhiệt thì Q > 0 và hệ <br /> sinh công thì W  0:<br /> <br /> Vì KP  là hằng số   ở  nhiệt độ  xác định nên khi P tăng thì Kx  giảm, suy ra cân bằng <br /> chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn.<br /> <br /> *  n