Cho phản ứng đốt cháy methane sau:CH4(g)+2O2(g)->CO2(g)+2H2O(g)
Tính nhiệt tỏa r…
Tính nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 12 kg khí methane (CH4), biết năng lượng liên kết trung bình trong bảng sau:
Liên kết. Eb(kJ/mol). Liên kết.
C-C. 346. C=O
C-H 418 O-H
O2 495
Eb(kJ/mol)
799
467
Đề bài yêu cầu chúng ta tính nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 12 kg khí methane. Chúng ta có phương trình phản ứng như sau:
CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(g)
Và bảng năng lượng liên kết trung bình:
Liên kết Eb(kJ/mol)
C-C 346
C-H 418
O=O 495 (chú ý, trong đề bài có ghi O2, đây là liên kết đôi O=O)
C=O 799
O-H 467
Để tính nhiệt tỏa ra của phản ứng dựa vào năng lượng liên kết, chúng ta sử dụng công thức sau:
Delta H = Tổng năng lượng liên kết bị phá vỡ – Tổng năng lượng liên kết được hình thành
Trong đó:
Delta H là biến thiên enthalpy của phản ứng. Giá trị âm cho thấy phản ứng tỏa nhiệt, giá trị dương cho thấy phản ứng thu nhiệt.
Năng lượng liên kết bị phá vỡ là năng lượng cần thiết để cắt đứt các liên kết trong chất phản ứng.
Năng lượng liên kết được hình thành là năng lượng tỏa ra khi các liên kết mới được tạo thành trong sản phẩm.
Bước 1: Phân tích cấu tạo phân tử và xác định các liên kết trong chất phản ứng và sản phẩm.
Chất phản ứng:
– Methane (CH4): Có 1 nguyên tử Carbon liên kết với 4 nguyên tử Hydrogen. Cấu trúc: Một nguyên tử C ở trung tâm, liên kết với 4 nguyên tử H bằng các liên kết đơn C-H. Vậy trong 1 phân tử CH4 có 4 liên kết C-H.
– Khí Oxygen (O2): Phân tử O2 có liên kết đôi giữa hai nguyên tử Oxy. Vậy trong 1 phân tử O2 có 1 liên kết đôi O=O.
Theo phương trình, chúng ta có 2 phân tử O2, vậy tổng cộng có 2 liên kết đôi O=O.
Sản phẩm:
– Carbon dioxide (CO2): Có 1 nguyên tử Carbon liên kết với 2 nguyên tử Oxygen. Cấu trúc: Một nguyên tử C ở trung tâm, liên kết đôi với mỗi nguyên tử O. Vậy trong 1 phân tử CO2 có 2 liên kết đôi C=O.
– Nước (H2O): Có 1 nguyên tử Oxy liên kết với 2 nguyên tử Hydrogen. Cấu trúc: Một nguyên tử O ở trung tâm, liên kết đơn với 2 nguyên tử H. Vậy trong 1 phân tử H2O có 2 liên kết O-H.
Theo phương trình, chúng ta có 2 phân tử H2O, vậy tổng cộng có 2 * 2 = 4 liên kết O-H.
Bước 2: Tính tổng năng lượng liên kết bị phá vỡ trong chất phản ứng.
Trong 1 phân tử CH4 có 4 liên kết C-H.
Năng lượng phá vỡ liên kết C-H = 4 Eb(C-H) = 4 418 kJ/mol = 1672 kJ/mol.
Trong 2 phân tử O2 có 2 liên kết đôi O=O.
Năng lượng phá vỡ liên kết O=O = 2 Eb(O=O) = 2 495 kJ/mol = 990 kJ/mol.
Tổng năng lượng liên kết bị phá vỡ = 1672 kJ/mol + 990 kJ/mol = 2662 kJ/mol.
Bước 3: Tính tổng năng lượng liên kết được hình thành trong sản phẩm.
Trong 1 phân tử CO2 có 2 liên kết đôi C=O.
Năng lượng hình thành liên kết C=O = 2 Eb(C=O) = 2 799 kJ/mol = 1598 kJ/mol.
Trong 2 phân tử H2O có 4 liên kết O-H.
Năng lượng hình thành liên kết O-H = 4 Eb(O-H) = 4 467 kJ/mol = 1868 kJ/mol.
Tổng năng lượng liên kết được hình thành = 1598 kJ/mol + 1868 kJ/mol = 3466 kJ/mol.
Bước 4: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng (Delta H) cho 1 mol CH4.
Delta H = Tổng năng lượng liên kết bị phá vỡ – Tổng năng lượng liên kết được hình thành
Delta H = 2662 kJ/mol – 3466 kJ/mol = -804 kJ/mol.
Giá trị Delta H = -804 kJ/mol cho biết khi 1 mol khí methane cháy hoàn toàn sẽ tỏa ra 804 kJ năng lượng.
Bước 5: Tính số mol khí methane trong 12 kg.
Để tính số mol, chúng ta cần khối lượng mol của CH4.
Khối lượng nguyên tử của C là khoảng 12 g/mol.
Khối lượng nguyên tử của H là khoảng 1 g/mol.
Khối lượng mol của CH4 (M) = 12 + 4 * 1 = 16 g/mol.
Khối lượng khí methane là 12 kg, chúng ta cần đổi sang gam:
12 kg = 12 * 1000 g = 12000 g.
Số mol khí methane (n) được tính theo công thức:
n = khối lượng / khối lượng mol
n = 12000 g / 16 g/mol = 750 mol.
Bước 6: Tính tổng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 12 kg khí methane.
Nhiệt tỏa ra của phản ứng tỉ lệ thuận với số mol chất phản ứng.
Vì 1 mol CH4 tỏa ra 804 kJ năng lượng, nên 750 mol CH4 sẽ tỏa ra:
Nhiệt tỏa ra = Số mol CH4 * Lượng nhiệt tỏa ra trên mỗi mol
Nhiệt tỏa ra = 750 mol * 804 kJ/mol = 603000 kJ.
Chúng ta có thể đổi đơn vị sang megajoule (MJ) cho tiện:
1 MJ = 1000 kJ
Nhiệt tỏa ra = 603000 kJ / 1000 kJ/MJ = 603 MJ.
Vậy, nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 12 kg khí methane là 603000 kJ hoặc 603 MJ.
Các em thấy đó, việc áp dụng đúng công thức và phân tích cẩn thận cấu tạo phân tử sẽ giúp chúng ta giải quyết bài tập này một cách dễ dàng. Năng lượng liên kết là một khái niệm quan trọng giúp chúng ta định lượng sự thay đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học. Có bạn nào có câu hỏi nào không?
Đáp án:
Biến thiên enthalpy:
\(\rm Δ_rH_{298}^°=4E_{b(C-H) }+2E_{b(O=O)} -2E_{b(C=O)} -4E_{b(H-O)}=4×418 +2×495-2×799-4×467=-804\ (kJ)\)
\(\rm n_{CH_4}=\dfrac{12×10^{3}}{16}=750\ (mol)\)
Nhiệt lượng tỏa ra:
\(\rm Q=n×Δ_rH_{298}^°=750×(-804)=-603×10^3\ (kJ)\)
\(Δ_rH_{298}^0=4E_{b(C-H) }+2E_{b(O=O)} -2E{b(C=O)} -4E_{b(H-O)}\)
\(=4×418 +2×495-2×799-4×467\)
\(=-804(kJ)\)
\(n_{CH_4}=\dfrac{12.10^3}{16}=750(mol)\)
nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 12 kg khí methane (CH4) là
\(Δ_rH_{298}^0 =750× (-804)=-603.10^3\)