Hướng dẫn học sinh tìm hiểu về năng lượng hoá học thông qua các bài tập gắn liền với thực tiễn
ĐIỀU KIỆN HOÀN CẢNH TẠO RA SÁNG KIẾN.
Hóa học là môn học thực nghiệm, kiến thức Hóa học được vận dụng rất
nhiều trong thực tế cuộc sống, do đó thông qua bài tập thực tiễn học sinh được
mở rộng tri thức, rèn luyện khả năng tư duy, tính kiên nhẫn… và vận dụng
những kiến thức được học vào giải quyết những vấn đề do thực tiễn đặt ra.
Tuy nhiên, chương trình dạy và học Hóa học phổ thông hiện nay còn nặng
về lí thuyết đã làm hạn chế khả năng tư duy và vận dụng sáng tạo của học sinh
Việt Nam so với bạn bè quốc tế. Do vậy, việc xây dựng và sử dụng hệ thống bài
tập thực tiễn để phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh là cần thiết.
Nhiệt động hóa học là một lĩnh vực của hoá học – môn nghiên cứu năng
lượng và chuyển hóa năng lượng mà trước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển
hóa giữa nhiệt với công và các dạng năng lượng khác.
Nhiệt động hóa học ứng dụng các định luật của nhiệt động học để khảo
sát các quá trình hóa lý khác nhau như: Tính toán nhiệt cho các quá trình, xác
định khả năng, hướng và mức độ xảy ra của các phản ứng hóa học…Nắm vững
các kiến thức về nhiệt động hóa học là rất cần thiết và quan trọng.
Một trong những nội dung quan trọng về nhiệt động hoá học được đưa
vào sách giáo khoa lớp 10 theo chương trình GDPT mới là chủ đề về NLHH. Đa
số các phản ứng hoá học xảy ra đều kèm theo sự biến đổi về năng lượng (chủ
yếu dưới dạng nhiệt) cho nên việc nghiên cứu về nhiệt của phản ứng hóa học sẽ
có một ý nghĩa nhất định đối với hóa học. Khi nắm vững lí thuyết về NLHH thì
các em sẽ dễ dàng giải thích được phản ứng nào dễ xảy ra hơn, tại sao có phản
ứng lại tỏa nhiệt nhưng có những phản ứng lại thu nhiệt…. Từ đó học sinh rèn
luyện được tính tích cực, trí thông minh, tự lập, sáng tạo và học sinh biết sử
dụng kiến thức được học để giải quyết những bài tập về năng lượng hoá học liên
2
quan đến thực tiễn. Qua đó học sinh sẽ yêu thích môn học và thấy rằng hoá học
không phải là môn học khô khan, ứng nhắc mà rất hấp dẫn và thú vị.
Với mong muốn học sinh có niềm đam mê, hứng thú với môn hoá học,
không gặp nhiều khó khăn trong quá trình học tập chương “Năng lượng hoá
học” và giúp học sinh giải thích, tính toán năng lượng hoá học liên quan đến các
phản ứng trong thực tiễn nên chúng tôi chọn đề tài cho sáng kiến kinh nghiệm
của mình là: “Hướng dẫn học sinh tìm hiểu về năng lượng hoá học thông qua
các bài tập gắn liền với thực tiễn”
II. MÔ TẢ GIẢI PHÁP.
1. Mô tả giải pháp trước khi có sáng kiến.
Chương trình giáo dục phổ thông mới 2018 được áp dụng vào năm học
2022 – 2023 đối với lớp 10 và chương năng lượng hoá học là nội dung kiến thức
hoàn toàn mới so với chương trình SGK cũ.
Qua một năm giảng dạy môn hoá học 10 theo chương trình GDPT mới,
trong đó có chủ đề năng lượng hoá học chúng tôi thấy rằng khi học đến chủ đề
này học sinh rất bỡ ngỡ và gặp nhiều khó khăn khi làm bài tập, đặc biệt là những
bài tập liên quan đến thực tiễn, những bài tập ở mức vận dụng. Số học sinh năm
chắc kiến thức phần này không nhiều, có rất nhiều em chưa định hình được lời giải
do chưa có được kiến thức và kĩ năng cần thiết.
Thực hiện sáng kiến này chúng tôi đã hệ thống lại những kiến thức trọng
tâm trong chủ đề năng lượng, giúp các em nắm rõ từ cách viết các kí hiệu, các
khái niệm: phản ứng thu nhiệt, toả nhiệt, enthalpy tạo thành, biến thiên enthalpy
của phản ứng hoá học, các tính hiệu ứng nhiệt của những phản ứng xảy ra trong
thực tiễn. Từ đó giúp các em có kiến thức cơ bản để làm các bài tập tương tự.
2. Mô tả giải pháp sau khi có sáng kiến.
Sáng kiến của chúng tôi sẽ làm rõ vấn đề mà học sinh còn gặp khó khăn,
lúng túng, những điều chưa rõ về ý nghĩa của các kí hiệu xuất hiện trong bài học
(nhiệt tạo thành, nhiệt phản ứng, điều kiện chuẩn, phương trình nhiệt hoá học),
những điểm cốt lõi, mấu chốt trong từng dạng bài tập tính toán liên quan đến
hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
3
Sáng kiến góp phần gây hứng thú học tập cho học sinh về sự chuyển hoá
năng lượng trong các phương trình phản ứng quen thuộc xảy ra trong thực tiễn,
một trong các phần được coi là tương đối khó hiểu, đòi hỏi khả năng tư duy
logic, giúp cho giáo viên lên lớp tự tin; học sinh lĩnh hội được tri thức một cách
đầy đủ và khắc sâu các kiến thức mới.
Sáng kiến sẽ làm cho học sinh thấy được tầm quan trọng của chủ đề năng
lượng, là kiến thức quan trọng cho việc tiếp nhận và làm các bài tập liên quan ở
các chủ đề tiếp theo.
2.1. Cơ sở lí thuyết của phương pháp.
2.1.1. Phản ứng toả nhiệt, phản ứng thu nhiệt.
– Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.
Ví dụ: Than củi, xăng dầu cháy tỏa nhiệt,
– Phản ứng thu nhiệt là phản ứng hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt.
Ví dụ: Khi nung vôi, người ta sử dụng phản ứng đốt cháy than để cung
cấp nhiệt cho phản ứng phân hủy đá vôi (CaCO3) → Phản ứng đốt cháy than là
phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng phân hủy đá vôi là phản ứng thu nhiệt.
2.1.2. Enthalpy tạo thành chuẩn (nhiệt tạo thành chuẩn) của một chất hoá
học.
a. Enthalpy tạo thành chuẩn (hay nhiệt tạo thành chuẩn) của một chất là
lượng nhiệt tỏa ra hay hấp thụ khi tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở
dạng bền nhất trong điều kiện chuẩn.
+ Kí hiệu là: Δ H f 298 o , đơn vị: kJ/mol.
(GV giải thích rõ để HS ghi nhớ: f viết tắt của fomation, số 0 chỉ điều kiện
chuẩn, 298 chỉ nhiệt độ là 298K hay 250C)
+ Điều kiện chuẩn là điều kiện ứng với áp suất 1 bar (đối với chất khí, nồng
độ 1 mol/L (đối với chất tan trong dụng dịch) và nhiệt độ thường được chọn là
298K (250C)
+ Lưu ý: Nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bền nhất bằng 0
b. Phương trình nhiệt động học biểu diễn nhiệt tạo thành chuẩn của một
hợp chất có đặc điểm:
+ Chất phản ứng là đơn chất dạng bền nhất có kèm theo trạng thái tồn tại,
sản phẩm là hợp chất.
4
+ Hệ số cân bằng của hợp chất (sản phẩm) luôn là 1. Khi đó nhiệt phản ứng
chính là nhiệt tạo thành chuẩn của hợp chất đó.
Ví dụ: Cho phương trình:
H2 (g) + 1
2
O2 (g) → H2O (l)
Phản ứng này tỏa ra lượng nhiệt là 285,83 kJ. Vậy enthalpy tạo thành chuẩn
của H2O (l) là: Δ H f 298 o = –285,83 kJ mol-1.
c. Ý nghĩa của Δ H f 298 o
+
f H298 o < 0 → Chất (sp) bền hơn về mặt năng lượng so với các đơn chất
bền tạo nên nó.
+
f H298 o > 0 → Chất (sp) kém bền hơn về mặt năng lượng so với các
đơn chất bền tạo nên nó.
2.1.3. Biến thiên enthalpy chuẩn (hiệu ứng nhiệt hay nhiệt phản ứng) của
phản ứng hoá học.
– Biến thiên entalpy chuẩn của một phản ứng hoá học chính là lượng nhiệt toả ra
hay thu vào của phản ứng đó ở điều kiện chuẩn.
+ Kí hiệu: Δ H r 298 o (r là reaction: phản ứng), đơn vị: J hoặc kJ.
+ Chú ý: Cùng 1 phản ứng nếu hệ số cân bằng khác nhau thì Δ H r 298 o là khác
nhau
+ Ý nghĩa:
Phản ứng thu nhiệt: Δ H r 298 o > 0, Δ H r 298 o càng dương, thu vào càng nhiều
nhiệt.
Phản ứng tỏa nhiệt: Δ H r 298 o < 0, Δ H r 298 o càng âm, tỏa ra càng nhiều nhiệt và
phản ứng càng diễn ra thuận lợi.
+ Phương trình nhiệt hoá học là phương trình phản ứng hoá học bình thường
có ghi kèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia và thu
được sau phản ứng.
| Ví dụ: Fe2O3 (s) + 3CO (g) 2Fe (s) + 3CO2 (g) – Các cách tính : | = –24,74 kJ |
→ Δ H r 298 o o
Δ H r 298 Cách 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào nhiệt tạo
thành chuẩn.
Cho phản ứng:
5
aA + bB ⎯⎯→ mM + nN
( )
. )
o o o
r 298 f 298 f 298
o o o o
f 298 f 298 f 298 f 298
H H sp H ( )
m H (M) + n. H (N) a. H (A) b. H (B
= –
= – –
cđ
Sơ đồ biến thiến enthalpy của phản ứng:
Chú ý: Trạng thái có năng lượng thấp hơn thì sẽ bền hơn trạng thái có mức năng
lượng cao, nên:
+ Phản ứng toả nhiệt: sản phẩm sẽ bền hơn chất tham gia
+ Phản ứng thu nhiệt: chất tham gia bền hơn chất ban đầu.
Cách 2: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng dựa vào năng lượng
liên kết.
– Phản ứng hóa học là quá trình phá vỡ các liên kết trong chất đầu và hình thành
các liên kết mới để tạo thành sản phẩm.
+ Sự phá vỡ liên kết cần cung cấp năng lượng.
+ Sự hình thành liên kết giải phóng năng lượng.
– Biến thiên enthalpy của phản ứng (khi các chất đều ở thể khí) bằng hiệu số
giữa tổng năng lượng liên kết của các chất đầu và tổng năng lượng liên kết của
các sản phẩm (ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất).
Cho phản ứng tổng quát:
aA (g) + bB (g) ⎯⎯→ mM (g) + nN (g)
Biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng:
o
= – = – – r 298 b b b b b b H E (cd) E (sp) a.E (A)+b.E (B) m.E (M) n.E (N)
Trong đó: Eb (A), Eb (B), Eb (M), Eb (N) lần lượt là tổng năng lượng liên kết của
tất cả các liên kết trong phân tử A, B, M, N.
Chú ý: Biến thiên enthalpy chuẩn của cùng một phản ứng khi tính theo 2 cách
trên có thể cho kết quả khác nhau do sai số từ số liệu cho sẵn.
6
2.2. Một số bài tập về năng lượng hoá học gắn liền với thực tiễn
2.2.1. Tính biến thiên enthalpy của phản ứng dựa vào nhiệt tạo thành chuẩn
Đây là một nội dung hoàn toàn mới với học sinh lớp 10 và với cả giáo
viên các trường phổ thông. Để học sinh làm quen, hiểu rõ khái niệm nhiệt tạo
thành chuẩn của một chất và sau đó tính được biến thiên enthalpy của phản ứng
chúng tôi đã lựa chọn những bài tập từ đơn giản đến nâng cao hơn. Để tiết học
sinh động hấp dẫn giáo viên có thể dùng giáo cụ trực quan hoặc các hình ảnh
minh hoạ. Do các quá trình đều gắn liền với thực tiễn nên sẽ không dễ đối với số
đông học sinh. Tuy nhiên khi đã kích thích được sự tò mò ham học hỏi của học
trò thì những nội dung khó sẽ trở thành động lực để các em cố gắng hơn.
Các bài tập được lựa chọn thường yêu cầu học sinh thực hiện các bước sau:
Bước 1: Tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng
Bước 2: Tính lượng nhiệt toả ra hay thu vào của một lượng chất.
Bước 3: Giải thích hiện tượng hoặc đưa ra những đề xuất liên quan đến
phản ứng đó trong thực tiễn cuộc sống (một số câu)
Sau đây là một số các ví dụ:
Câu 1: Bề mặt vỏ hộp diêm có chứa
phosphorus đỏ. Khi quẹt diêm, nhiệt phát ra do
ma sát chuyển phosphorus đỏ thành
phosphorus trắng, không bền, dễ bốc cháy
trong không khí:
P (đỏ) ⎯⎯→ P (trắng) (1)
4P (trắng) + 5O2 (g) ⎯⎯→ 2P2O5 (s) (2)
Tia lửa sinh ra đốt cháy que diêm. Đầu que
diêm có chứa potassium chlorate bị nhiệt phân, cung cấp oxygen cho quá trình
đốt cháy:
2KClO3 (s) ⎯⎯→ 2KCl (s) + 3O2 (g) (3)
a. Cho biết trên bề mặt vỏ hộp diêm và đầu que diêm có chất gì?
b. Tính biến thiên enthalpy chuẩn của các phản ứng xảy ra khi đốt cháy que
diêm.
Cho bảng thông số nhiệt tạo thành chuẩn của các chất sau:
| Chất | P (đỏ) | P (trắng) | P2O5 (s) | KClO3 (s) | KCl (s) |
| (kJ mol–1) | –17,40 | 0 | –1505,50 | –391,40 | –436,68 |
o
Δ H f 298 Hướng dẫn giải
7
a. Trên bề mặt trên bề mặt vỏ hộp diêm có P đỏ và đầu que diêm có KClO3.
b. Phản ứng (1):
o
Δ H r 298(1) = fHo 298 P traéng – f 298 P ñoû Ho = 0– (–17,40) = 17,4 KJ
Phản ứng (2):
o
Δ H r 298(2) = 2. Δ H f 298 P O ( ) o 2 5 s – 4. fHo 298 P traéng – 5. Δ H f 298 O ( ) o 2 g = –1505,5 KJ
Phản ứng (3):
o
Δ H r 298(3) = 2. Δ H f 298 ( ) o KCl s + 3. Δ H f 298 O ( ) o 2 g – 2.Δ H f 298 KClO ( ) o 3 s = –90,56 KJ
Câu 2: Muối ammonium bicarbonate (NH4HCO3) được sử dụng làm bột nở,
giúp cho bánh nở to, xốp và mềm.
Dựa vào phản ứng sau và giá trị enthalpy tạo thành chuẩn, hãy giải thích vì sao
cần bảo quản bột nở ở nơi thoáng mát, tránh ánh sáng mặt trời và nhiệt độ cao:
NH4HCO3 (s) → NH3 (g) + CO2 (g) + H2O (g)
| Chất | NH4HCO3 (s) | NH3 (g) | CO2 (g) | H2O (g) |
| (kJ mol-1) | –849,40 | –46,11 | –393,51 | –241,82 |
o
Δ H f 298Hướng dẫn giải
3 2 2 4 3
o o o o o
Δ H (Δ H Δ H Δ H ) Δ H r 298 f 298(NH (g)) f 298(CO (g)) f 298(H O(g)) f 29 = + + – 8(NH NO (s))
= –46,11– 393,51– 241,82 – (–849,40) = 167,96 kJ < 0.
8
Phản ứng trên là phản ứng thu nhiệt, do vậy khi bảo quản ở nơi có nhiệt độ cao
(hay tiếp xúc trực tiếp ánh sáng mặt trời) bột nở sẽ có thể bị phân hủy tạo thành
các khí.
Câu 3: Muối ammonium chloride rắn khi hòa vào nước cất sẽ xảy ra phản ứng:
NH4Cl (s) → NH4Cl (aq)
a. Nhiệt phản ứng được ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất các túi chườm,
giúp giảm đau, giảm viêm do các chấn thương. Theo em, phản ứng hòa tan trên
được ứng dụng làm túi chườm nóng hay túi chườm lạnh?
Biết o
Δ H f 298NH4Cl (s) và NH4Cl (aq) lần lượt là –314,43 kJ mol-1 và –299,67 kJ
mol-1.
b. Túi chườm sẽ hoạt động khi phá vỡ lớp ngăn cách giữa muối ammonium
chloride và nước cất. Tính nhiệt độ của túi chườm khi hoạt động ở điều kiện
chuẩn. Biết túi chứa 20 gam muối, 100ml nước cất và để 1mol nước cất tăng lên
10C thì cần 75,4 J.
Hướng dẫn giải
a. o
Δ H r 298 = Δ H f o298 NH l 4C (aq)– Δ H f 29 o 8 NH C 4 l (s)
= –299,67 + 314,43 = 14,76 kJ > 0
Phản ứng thu nhiệt, muối hấp thu nhiệt từ nước, làm nước giảm nhiệt độ.
Ứng dụng làm túi chườm lạnh.
b. Nhiệt lượng cần thu vào để hoà tan 20 gam muối NH4Cl là
20
53,5
14,76 = 5,52 kJ = 5520 J.
Lượng nhiệt này được lấy từ H2O, mỗi 1 mol nước khi giảm 10C sẽ toả ra lượng
nhiệt là 75,4 J
9
Lượng nhiệt toả ra khi 100ml nước (tương đương 100 gam) giảm 10C là
100
.75,4 418,9
18
= J
Vậy để cung cấp 5520 J cho muối hoà tan thì nước cần giảm 5520 13,20
418,9
C
Nhiệt độ của túi chườm khi hoạt động là 250C – 13,20C = 11,8°C.
Câu 4: Khí gas chứa chủ yếu các thành phần chính: Propane (C3H8), butane
(C4H10) và một số thành phần khác. Để tạo mùi cho gas nhà sản xuất đã pha trộn
thêm chất tạo mùi đặc trưng như methanthiol (CH3SH), có mùi giống tỏi, hành
tây. Trong thành phần khí gas, tỉ lệ hòa trộn phổ biến của propane: butane theo
thứ tự là 30: 70 đến 50: 50.
a. Mục đích việc pha trộn thêm chất tạo mùi đặc trưng vào khí gas là gì?
b. Khi khí gas cháy xảy ra các phương trình phản ứng sau:
C3H8(s) + 5O2(g) ⎯⎯→ 3CO2(g) + 4H2O(l) rH298 0 = –2220 kJ
C4H10(s) + 13/2O2(g) ⎯⎯→ 4CO2(g) + 5H2O(l) rH298 0 = –2874 kJ
Tính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 bình gas 12 kg với tỉ lệ thể tích
propane: butane là 30: 70 (thành phần khác không đáng kể) ở điều kiện chuẩn.
c. Giả sử một hộ gia đình cần 6000 kJ nhiệt mỗi ngày, sau bao nhiêu ngày sẽ sử
dụng hết 1 bình gas (với hiệu suất hấp thụ nhiệt khoảng 60%).
Hướng dẫn giải
a. Mục đích pha trộn thêm chất tạo mùi đặc trưng vào khí gas để giúp phát hiện
khí gas khi xảy ra sự cố rò rỉ gas.
b.
3 8
3 8
3
C H
o
r 298 C H
30%.12.10
n = = 81,8181 mol
44
⎯⎯→ Δ H = (-2220.n ) = -181636,36 kJ
10
4 10
4 10
3
C H
o
r 298 C H
70%.12.10
n = = 144,8275 mol
58
⎯⎯→ Δ H = (- 2874.n ) = – 416234,48 kJ
Tổng nhiệt lượng tỏa ra là: 597870,595 kJ.
c. Số ngày sử dụng hết bình gas 12 kg: (597870,595.60%)/6000 ≈ 60 ngày.
Câu 5: Trên 1 ha cây trồng, trung bình 1 giờ tổng hợp được 10 kg đường
glucose (C6H12O6). Quá trình quang hợp xảy ra theo phản ứng hóa học sau:
6CO2 (g) + 6H2O (l) ⎯⎯⎯→ asmt C6H12O6 (s) + 6O2 (g)
| Chất | CO2 (g) | H2O (l) | C6H12O6 (s) | O2 (g) |
| (kJ mol-1) | –393,51 | –285,83 | –1274 | 0 |
o
Δ H f 298Biết rằng trung bình 1 m2 mặt đất nhận 1kW năng lượng từ Mặt Trời. Tính hiệu
suất sử dụng năng lượng Mặt Trời cho quá trình quang hợp của cây.
Hướng dẫn giải
1 ha = 104 m2
1 kW = 1 kJ/s
Ta có: o
Δ H r 298 = Δ H f 298( (s)) o C H O 6 12 6 – 6( Δ H f 2 ) o98 (g ( O C 2 )+ Δ H f o298(H2O (l)) )
= –1274 – 6(–393,51–285,83)
= 2802,04 kJ.
Để tổng hợp được 10 kg glucose, cây trồng cần lượng nhiệt là:
nglucose Δ H r 298 o =
104
180
2802,04 = 155668,89 kJ
Năng lượng Mặt Trời cung cấp cho 1 ha cây trồng trong 1 giờ là:
3600104 = 36106 kJ
Vậy hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời cho quá trình quang hợp trên là:
H =
6
155668,89
36 10
100% = 0,43%.
Câu 6: Ngày 10/09/2017, một chiếc xe tải chở số lượng lớn đất đèn (thành phần
chính là CaC2 có lẫn CaO) từ Hải Dương về Hưng Yên. Khi tới thị trấn Vương,
trời nổi gió to và đổ mưa, chiếc xe tải đột nhiên bốc cháy.
11
Nhiều thông tin trên mạng xã hội cho rằng xe bị sét đánh trúng dẫn tới cháy.
Tuy nhiên, công an huyện đã bác bỏ thông tin sai lệch trên. Với bảng thông số
nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của các chất dưới đây, em hãy dự đoán và giải thích
nguyên nhân của sự cố trên. Biết rằng acetylene sinh ra trong quá trình là chất
khí dễ cháy.
| Chất | CaC2 (s) | H2O (l) | Ca(OH)2 (aq) | C2H2 (g) | CaO (s) |
| (kJmol-1) | –59,8 | –285,83 | –1002,82 | 226,8 | –635,09 |
o
Δ H f 298 Hướng dẫn giải
Khi trời đổ mưa, đất đèn phản ứng với nước:
(1) CaC2 (s) + 2H2O (l) → Ca(OH)2 (aq) + C2H2 (g)
(2) CaO (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (aq)
o
Δ H r 298 (1) = –1002,82 + 226,8 – 2(–285,83) + 59,8 = –144,56 kJ < 0 (tỏa
nhiệt)
o
Δ H r 298 (2) = –1002,82 – (–635,09 –285,83) = –81,9 kJ < 0 (tỏa nhiệt)
Lượng lớn đất đèn khi phản ứng với nước mưa sẽ tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn,
kích thích cho quá trình tự bốc cháy của khí acetylene (C2H2) trong không khí:
C2H2 (g) + O2 (g) → 2CO2 (g) + H2O (l)
Xem bản đầy đủ trên google drive: TẠI ĐÂY
Các thầy cô cần file liên hệ với chúng tôi tại fanpage facebook O2 Education
Hoặc xem nhiều SKKN hơn tại:
