Bài tập Nhiệt động hóa học - 2

BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC-2 Câu 1. Phản ứng nhị hợp NO2 : 2NO2 (k) ® N2O4 (k) Biết DH0S (kcal/mol) : 8,091 2,309 S0 (cal.mol–1.K–1) : 57,2 72,2 – Tính biến thiên năng lượng tự do của pư ở 00C và 1000C. Cho biết chiều tự diễn biến tại những nhiệt độ đó. – Xđ ở nhiệt độ nào thì DG = 0 ? Xác định chiều của phản ứng ở nhiệt độ cao hơn và thấp hơn nhiệt độ đó. Giả thiết DH và S của các chất thay đổi theo nhiệt độ không đáng kể. Câu 2: Cho: O2(k) Cl2(k) HCl(k) H2O(k) (J/mol.K) 205,03 222,9 186,7 188,7 (kJ/mol) 0 0 -92,31 -241,83 1. Tính hằng số cân bằng của phản ứng ở 2980K 4HCl(k) + O2(k) 2Cl2(k + 2H2O(k) 2. Giả thiết và không phụ thuộc vào nhiệt độ, tính hằng số cân bằng của phản ứng ở 6980K. 3. Muốn tăng hiệu suất phản ứng oxi hóa HCl thì nên tiến hành phản ứng ở những điều kiện nào? Caâu 3: Tại 25oC, tạo thành các chất như sau: (theo kJ.mol-1) H2O(k) CO2(k) CO(k) H2O(l) -228,374 -394,007 -137,133 -236,964 a. Tính Kp của phản ứng: tại 25oC b. Tính áp suất hơi nước tại 25oC c. Hỗn hợp gồm các khí CO, CO2, H2 mà mỗi khí đều có áp suất riêng phần là 1 atm được trộn với nước (lỏng, dư). Tính áp suất riêng phần mỗi khí có trong hỗn hợp cân bằng tại 25oC, biết quá trình xảy ra khi V = const. Câu 4: Ở điều kiện chuẩn, entanpi phản ứng và entropi của các chất có giá trị như sau: Số thứ tự Phản ứng H0298(kJ) 1 2 3 4 2NH3 + 3N2O 4N2 + 3H2O N2O + 3H2 N2H4 + H2O 2NH3 + ½ O2 N2H4 + H2O H2 + ½ O2 H2O -1011 -317 -143 -286 S0298(N2H4) = 240 J/mol. K S0298(H2O) = 66,6 J/mol. K S0298(N2) = 191 J/mol. K S0298(O2) = 205 J/mol. K a) Tính entanpi tạo thành của H0298 của N2H4, N2O và NH3, S0298 b) Viết phương trình của phản ứng cháy hiđrazin tạo thành nước và nitơ c) Tính nhiệt phản ứng cháy đẳng áp ở 298K và tính G0298 và tính hằng số cân bằng K d) Nếu hỗn hợp ban đầu gồm 2 mol NH3 và 0,5 mol O2 thì nhiệt pảhn ứng 3 ở thể tích không đổi là bao nhiêu? Câu 5 : 1./ Cho biết sinh nhiệt chuẩn ( ∆Ho ) của ( O3 ) khí = +34Kcal/mol , ( ∆Ho ) của ( CO2 ) khí = -94,05 Kcal/mol, ( ∆Ho ) của ( NH3 ) khí = -11,04 Kcal/mol ( ∆Ho ) của ( HI ) khí = + 6,2Kcal/mol a./ Sắp xếp theo thứ tự tính bền tăng dần của các đơn chất hợp chất : O3 , CO2 ,NH3 ,và HI giải thích ?. b./ Tính năng lượng liên kết E N-N ,biết EH-H = 104Kcal/mol và EN-H = 93 Kcal/mol 2./Cho phản ứng : H2O ( k ) + CO ( k ) ⇄ H2 ( k ) + CO2 ( k ) Tính Ho298oK và Eo 298oK biết rằng H o 298oK cuả CO2 ( k ); H2O ( k ) , CO ( k ) lần lượt là -94,05 , - 57,79 ; - 26,41 Kcal/ mol Câu 6: Cho các số liệu nhiệt động của một số phản ứng sau ở 298oK. 2NH3 + 3N2O D 4N2 + 3H2O rH1= -1011KJ/mol N2O + 3H2 D N2H4 + H2O rH2= -317KJ/mol 2NH3 + 0,5O2 D N2H4 + H2O rH3= -143KJ/mol H2 + 0,5O2 D H2O rH4= -286KJ/mol Hãy tính nhiệt tạo thành của N2H4, N2O và NH3. Câu 7 :Chất lỏng N2H4 có thể dùng làm nhiên liệu đẩy tên lửa Tính nhiệt tạo thành của N2H4 khi biết: 2. Trong nhiên liệu đẩy tên lửa, hidrazin lỏng phản ứng với hidropeoxit lỏng tạo ra nitơ và hơi nước. Viết pư và tính nhiệt toả ra khi 1m3(đktc) khí N2H4 phản ứng, biết nhiệt tạo thành của H2O2(l) là :-187,8kJ/ mol. Câu 8 : Butadien – 1,3 ở trạng thái khí trong điều kiện 250C và 100 kPa. a) Tính Nhiệt tạo thành chuẩn của nó ở 250C khi biết: DH0 ở 298 K theo kJ.mol -1: DH0 đốt cháy C4H6 = - 2552,73 ; DH0 sinh H2O (l) = - 285,83; DH0 sinh CO2 (k) = - 393,51; DH0 thăng hoa C(r) = 716,7 b) Tính Nhiệt tạo thành chuẩn của nó ở 250C khi biết các trị số năng lượng liên kết: H – H C – C C = C C – H kJ. mol-1 436 345 615 415 c) So sánh kết quả của 2 phần trên và giải thích. Câu 9 Một nồi hơi bằng thép có khối lượng 900 kg. Nồi hơi chứa 400 kg nước. Giả sử hiêu suất sử dụng nhiệt của nồi hơi là 70 %. Cần bao nhiêu calo nhiệt để nâng nhiệt độ của nồi hơi từ 10oC lên 100oC ? Nhiệt dung riêng của thép là 0,46 kJ/mol, nhiệt dung riêng của nước là 4,184 kJ/mol. Câu 10 : Độ tan của Mg(OH)2 trong nước ở 180C là 9.10-3 g/ℓ ; còn ở 1000C là 4.10-2 g/ℓ. a/ Tính tích số tan của Mg(OH)2 ở 2 nhiệt độ trên. b/ Tính các đại lượng ∆H0, ∆G0 và ∆S0 của phản ứng hòa tan, giả sử ∆H0, ∆S0 không thay đổi theo nhiệt độ. Biết R = 8,314 J.mol.k-1. Câu 11: 1. a/ Khi trung hòa 1mol axit mạnh bằng 1 mol bazơ mạnh trong dd loãng , nhiệt tỏa ra H=-57,32kJ . Entanpi tạo thành nước lỏng là -285,81kJ/mol; Entanpi tạo thành H+=0. Hãy xác định Entanpi tạo thành OH-(aq) b/ Khi trung hòa 1mol HCN bằng kiềm mạnh , thấy giải phóng ra 12,13kJ nhiệt. Tính H của phản ứng điện li HCN 2. a/ Với phản ứng tổng hợp NH3, ở 673K có hằng số cân bằng K1= 1,3.10-2 ; ở 773K có hằng số cân bằng K2= 3,8.10-3. Xác định H trong khỏang nhiệt độ đó. b/ Muốn tăng hiệu suất phản ứng tổng hợp NH3, nên tiến hành pư ở những điều kiện nào về nhiệt độ, áp suất ? Câu 12: Cho phản ứng aA + bB dD + eE Biết Với C là nồng độ tại thời điểm đang xét. 1) Chứng minh rằng: Với và Kc là hằng số cân bằng của phản ứng. 2) với phản ứng: Hỏi các hỗn hợp có thành phần sau đây sẽ phản ứng theo chiều nào? HẾT GIẢI 1) Theo đề bài, ta có Khi hệ đạt tới cân bằng thì Lúc đó trở thành Kc nên Vậy thay vào (1) ta có: 2) Ta thấy với phản ứng: Xét tỉ số : nếu <1 : phản ứng xảy ra theo chiều thuận; nếu >1 : phản ứng xảy ra theo chiều nghịch; nếu =1 : phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng. Từ a) phản ứng xảy ra theo chiều thuận Từ b) phản ứng xảy ra theo chiều nghịch Từ c) hệ đang ở trạng thái cân bằng GIẢI 1. a/ Phản ứng trung hòa : H+(aq) + OH-(aq) ® H2O(l) H = -57,32kJ b/ Phản ứng trung hòa HCN bằng kiềm mạnh : (1) HCN(dd) + OH- ® H2O(l) + CN-(aq) H1= -12,13 kJ (2) H+(aq) + OH-(aq) ® H2O(l) H2 = -57,32kJ Lấy (1) - (2) HCN(dd) ® H+(aq) + CN-(aq) H3 =-12,13-(-57,32)= 45,19kJ 2.a/ Áp dụng phương trình : b/ N2(K) + 3H2(K) 2NH3(K) H < 0 Muốn tăng hiệu suất tổng hợp NH3 cần phải : Tăng áp suất của hệ Giảm nhiệt độ của hệ GIẢI Trong dung dịch : - Ở 180C hay 291k : - Ở 1000C hay 372k : b/ Từ ∆G0 = ∆H0 – T. ∆S0 và ∆G0 = - RT ℓnks vì ∆H0, ∆S0 không thay đổi theo nhiệt độ, nên : Muốn tính ∆G0 phải tính tích số tan ks ở 298k (250C) Từ Từ Từ ∆G0 = - RTℓnks Từ ∆G0 = - ∆H0 – T. ∆S0 ∆S0 = - 38,02 J.mol -1. k -1 ĐÁP SỐ Nhiệt lượng là 268405,7 kJ GIẢI a) C4H6 + 5,5 O2 ® 4CO2 + 3H2O DH0 (cháyC4H6) = 4DH0 (sinhCO2) + 3DH0 (sinh H2O) - DH0 (sinhC4H6) ® DH0(sinhC4H6) = 4 (-393,51) + 3(- 285,83) - (- 2552,73) = 121,2 kJ/mol b) DH0(sinhC4H6) = 4DH0(thăng hoaCrắn) + 3E(H-H) - 6 E(C-H) - E(C-C) - 2E(C=C ) = (4 ´2866,8) + (3 ´436) - (6 ´415) - (345) - (2 ´615) = 109,8 kJ/mol c) Năng lượng liên kết theo tính toán không phù hợp với kết quả thực nghiệm (lệch tới 10%), lớn hơn thông thường do có sự không định vị của mây p làm cho phân tử bền vững hơn so với mô hình liên kết cộng hoá trị định vị. Sự khác nhau giữa 2 nhiệt tạo thành được gọi là năng lượng cộng hưởng của phân tử = 11,4 kJ. mol-1. GIẢI a/ Phương trình cần tìm: N2 + 2H2D N2H4 -Xếp các phản ứng 4N2 + 3H2OD 2NH3 + 3N2O -rH1 3N2O + 3.3H2D 3.N2H4 + 3H2O 3.rH2 2NH3 + 0,5O2D N2H4 + H2O rH3 H2OD H2+ 0,5O2 -rH4 4N2 + 8H2D 4N2H4 rH rH= -rH1+3rH3+rH3-rH4 = 1011-3.317-143+286 =203KJ. - Nhiệt tạo thành N2H4: rHN2H4 = 203/4 = 50,75KJ.mol-1 b/ N2O + 3H2D N2H4 + H2O rH2= -317 rH2= rHN2H4 + rHH2O – rHN2O rHN2O= rHN2H4 + rHH2O –rH2 = 50,75 – 286 + 317 = 81,75KJ.mol-1 c/ 2HN3 + 0,5O2 D N2H4 + H2O rH3 rH3=rHN2H4 + rHH2O – 2.rHNH3 => rHNH3=(rHN2H4 + rHH2O – rH3)/2 rHNH3=(50,75-286+143)/2 =-46,125KJ.mol-1. GIẢI 1.Nhiệt tạo thành của N2H4 là Ta có: 2. N2H4(k) + H2O2(k) N2(k) + 2H2O(k) Khi 1 mol khí N2H4 phản ứng toả ra 346 kJ. Vậy nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 1m3 khí N2H4 (đktc) là: GIẢI a./ Vì sinh nhiệt càng âm tức năng lượng càng tỏa nhiệt ra nhiều thì hợp chất càng bền . Do đó thứ tự độ bền tăng dần là : O3 < HI < NH3 < CO2 b./ Xét phản ứng N2 + 3H2 ⇄ 2NH3 thì ∆H Pư = 2.-11,04Kcal Ta có : E N-N + 3 x E H-H - 2 x E N-H = 2 x -11,04 Suy ra E N-N = - 22,08 – (3 . 104 -6 . 93 ) = 223,92 Kcal/mol 2./ a) Tính Ho 298oK Ho = Ho CO2 - Ho H2O - Ho CO = -94,05 - ( -57,79 ) - ( - 26,41 ) = -9,85Kcal b) Tính Eo 298oK Ta có Ho = Eo + RTn với n = 2 - 2 = 0 Vậy Ho = Eo = -9,85Kcal ( 1 đ ) GIẢI a) Ta có –(1) + 3(2) + (3) – (4) 4N2 + 8H2 4N2H4 H0298 = 1011 + 3.(-317) + ( -143) + 286 = 203kJ N2 + 2H2 N2H4 H0298 = 50,8kJ / mol * Từ 2 : 0 +H0298 (N2O) – 50,8 + 286 = 317 H0298 (N2O) = 81,88kJ / mol * Từ 3: 50,8 – 286 -2. H0298 (NH3) = -143 H0298 (NH3) = -45,6 kJ / mol b) N2H4 + O2 N2 + 2H2O c) H0298 = -2.286 -50,8 = -623 kJ S0298 = 191 + 2.66,6 – 205 – 240 = 121 J/K G0298 = H0298 + T. S0298 = -623 + 298.121 = -587kJ K = d) H = U + p. v = U + nRT U = H - nRT trong đó n = 1 – 2,5 = -1,5 U = -143000 + 1,5. 8,314. 298 = -139kJ GIẢI a/ = 0 + (-394,007) + 137,133 + 236,964 = -19,91 kJ.mol-1.. Áp dụng phương trình đẳng nhiệt Van Hoff, ta có: b/ Để xét ở 25oC ta xét cân bằng ở 25oC. Vì = const = 1atm (ở 25oC) c/ Vì ở điều kiện T; V = const à áp suất riêng phần tỷ lệ với số mol mỗi khí nên có thể tính áp suất riêng phần theo phản ứng: (dư) Ban đầu: 1 1 1 (atm) Cân bằng: 1 – x 1 + x 1 + x à x = 0,421 Vậy tại thời điểm cân bằng ở 25oC: GIẢI 1. 4HCl + O2 2Cl2 + 2H2O Có Phản ứng = Phản ứng = =-114420 + 298.128,63 = -76088,26(J) Vậy : 2. hay KP(698) = 101,8 Dựa vào các số liệu bài toán, suy ra Muốn tăng hiệu suất oxi hóa HCl cần: Hạ nhiệt độ. Tăng áp suất Tăng nồng độ O2 Giải Ở điều kiện chuẩn (1 atm và 250C) : DH0pư = D – 2D = 2309 – 2.8091 = –13873 (cal/mol)……………….. DS0pư = – 2 = 72,7 – 2.57,5 = –42,2 (cal.mol–1.K–1) ……………………. Áp dụng : DG0T = DH0pư – TDS0pư để tính DG ở các nhiệt độ khác nhau. (Vì DH0 và DS0 biến thiên không đáng kể theo nhiệt độ, nên có thể sử dụng để tính DG ở các nhiệt độ khác nhau theo công thức nêu ra.) a) Ở 00C, tức 273K : DG0273 = –13873 + 42,2.273 = –2352 (cal/mol) . ………………………………. DG0273 < 0, vậy ở nhiệt độ này phản ứng diễn ra theo chiều thuận……………………… b) Ở 1000C, tức 373K : DG0373 = –13873 + 42,2.373 = +1868 (cal/mol) > 0 ………………………….. Vậy phản ứng lúc này diễn ra theo chiều nghịch. ………………………………………. c) Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng ở nhiệt độ T nào đó thì DG0T = 0. Khi đó : –13873 + 42,2.T = 0 T = = 329 (K) hay 560C ……………………………………………….. Ở nhiệt độ t > 560C (hay T > 329K) thì : DG0T = –13873 + 42,2T > 0, phản ứng diễn ra theo chiều nghịch. ………………… Ở nhiệt độ t < 560C (hay T < 329K) thì : DG0T = –13873 + 42,2T < 0, phản ứng diễn ra theo chiều thuận……………………