Đề tài Giảng dạy một số nội dung nhiệt động học trong chương trình hóa học trung học phổ thông

1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam ñoan Lời cảm ơn Mục lục .....................................................................................................................1 PHẦN I: MỞ ðẦU....................................................................................................3 1 Lí do chọn ñề tài.....................................................................................................3 2. Mục tiêu ................................................................................................................3 3. Nhiệm vụ...............................................................................................................3 4 Các phương pháp nghiên cứu..................................................................................4 5. ðối tượng và phạm vi ............................................................................................4 PHẦN II: NỘI DUNG...............................................................................................5 Chương 1 Cơ sở lí luận của vấn ñề nghiên cứu 1.1. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt ñộng học................................................................5 1.1.1. Phát biểu nguyên lí I ....................................................................................5 1.1.2. Hàm trạng thái nội năng U ...........................................................................5 1.2. Nguyên lí thứ hai của nhiệt ñộng học..................................................................8 1.2.1. Phát biểu nguyên lí II ..................................................................................8 1.2.2. Chiều hướng diễn biến cỉa một phản ứng hóa học .......................................8 1.3. Cân bằng hóa học ...............................................................................................9 1.3.1. Cân bằng ñồng thể ......................................................................................9 1.3.2.Cân bằng hoá học dị thể ...............................................................................11 1.3.3. Sự chuyển dịch cân bằng.............................................................................11 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 2 Chương 2 Thống kê kiến thức nhiệt ñộng học trong chương trình hoá học trung học phổ thông 2.1. Các nội dung về nhiệt hóa học ...........................................................................14 2.2. Cân bằng hoá học ..............................................................................................14 2.3. Cân bằng trong dung dịch ñiện li ........................................................................16 Chương 3 Một số kết quả ban ñầu 3.1. Một số kết quả khảo sát ban ñầu ........................................................................18 3.2. Một số bài soạn minh hoạ .................................................................................. 3.1.1. Bài 38: Cân bằng hoá học. .........................................................................18 3.1.2. Bài 2: Axit, bazơ và muối ..........................................................................26 3.2.1. Bài 50: Cân bằng hoá học ..........................................................................30 3.2.2. Bài 3: Axit, bazơ và muối. ......................................................................... 3.3 Một số bài tập củng cố, hoàn thiện kiến thức ....................................................... PHẦN III: KẾT LUẬN ............................................................................................. 1. Kết luận................................................................................................................. 2. Ý kiến, ñề xuất ...................................................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 3 PHẦN I: MỞ ðẦU 1 Lí do chọn ñề tài Hóa học là một khoa học vừa lí thuyết, vừa thực nghiệm. Hóa học có rất nhiều khả năng trong việc phát triển những năng lực nhận thức cho học sinh, nếu việc dạy và học môn này ñược tổ chức ñúng ñắn. Trước ñây, ngành giáo dục nước ta lấy hoạt ñộng của giáo viên làm chủ ñạo, còn học sinh ñóng vai trò tiếp thu, lĩnh hội kiến thức một cách thụ ñộng qua lời giảng của giáo viên. Nếu cứ tiếp tục cách dạy và học như vậy, ngành giáo dục nước ta sẽ không phát triển, không ñáp ứng ñược những yêu cầu mới của xã hội. Sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện ñại hóa ñất nước, sự thử thách trước nguy cơ tụt hậu trên ñường tiến vào thế kỉ XXI bằng trí tuệ ñang ñòi hỏi ñổi mới giáo dục. Theo xu hướng ñổi mới giáo dục phổ thông hiện nay “ dạy học lấy học sinh làm trung tâm” thì vai trò tích cực, chủ ñộng, sáng tạo của học sinh ñược phát huy, còn vai trò của giáo viên không hề bị hạ thấp mà trái lại có yêu cầu cao hơn nhiều, giáo viên ñóng vai trò tổ chức và ñiều khiển học sinh chiếm lĩnh tri thức, tự lực hoạt ñộng tìm tòi ñể lĩnh hội kiến thức mới. Do ñó, người giáo viên cần có sự hiểu biết và vốn kiến thức vừa sâu, vừa rộng , ñặc biệt là những nội dung khó như phần nhiệt ñộng học ñể học sinh hiểu và vận dụng giải bài tập. Hiện nay, một số giáo viên trẻ mới ra trường gặp khó khăn trong việc giảng dạy những nội dung khá trừu tượng này. Do ñó, không mang lại hiệu quả cao trong quá trình giảng dạy. Nhận thấy ñược ñiều ñó nên em ñã chọn ñề tài: “ Giảng dạy một số nội dung nhiệt ñộng học trong chương trình hóa học trung học phổ thông”. 2. Mục tiêu: Xác ñịnh ñược cách thức giảng dạy một số nội dung nhiệt ñộng học trong chương trình hóa học trung học phổ thông. Phương pháp giảng dạy một số nội dung nhiệt ñộng học trong chương trình hóa học trung học phổ thông 3. Nhiệm vụ: Nghiên cứu sách giáo khoa hóa học lớp 10, 11 và các tài liệu khác có liên quan PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 4 Nghiên cứu về nhiệt ñộng học trong chương trình hóa học phổ thông, ñặc biệt lớp 10 và 11 ðiều tra, thiết kế tiết dạy. 4 Các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu tài liệu lí luận: sách giáo khoa và các tài liệu liên quan khác Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Khảo sát giáo viên và học sinh. Phương pháp nghiên cứu khác: ñiều tra và trao ñổi với giáo viên, test… 5. ðối tượng và phạm vi: ðối tượng: giáo viên và học sinh. Các nội dung nhiệt ñộng học trong chương trình hóa học trung học phổ thông Phương pháp, phương tiện dạy học, tổ chức dạy học tích cực PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 5 PHẦN II: NỘI DUNG Chương I: Cơ sở lí luận của vấn ñề nghiên cứu 1.1. Nguyên lí thứ nhất của nhiệt ñộng học: 1.1.1. Phát biểu nguyên lí I: Nguyên lí I ñược phát biểu dưới nhiều dạng khác nhau. Khi một hệ kín thực hiện một chu trình, tổng ñại số của các công W và nhiệt Q mà hệ trao ñổi với môi trường ngoàu bằng không. 0)( =+∑ i i i WQ Phương trình trên cho thấy rằng, khi thực hiện một chu trình, nếu nhận công nó sẽ nhường nhiệt, còn nếu nhận nhiệt nó sẽ sinh công. Nếu gọi một ñộng cơ hoạt ñộng tuần hoàn sinh công mà không cần nhận nhiệt là ñộng cơ vĩnh cửu loại I thì có thể khẳng ñịnh “không thể có ñộng cơ vĩnh cửu loại I”. 1.1.2. Hàm trạng thái nội năng U: Dựa trên nguyê lí I, chúng ta chứng minh rằng có tồn tại một hàm nội năng. Giả sử một hệ kín thực hiện một biến ñổi AB theo 2 con ñường 1, 2 rồi sau ñó lại quay về trạngt hái ban ñầu theo ñường 3. Năng lương mà hệ trao ñổi với môi trường ngoài trong mỗi trường hợp là: W1 + Q1 W2 + Q2 W3 + Q3 Áp dụng lần lượt nguyên lí I vào các chu trình 1-3 và 2-3 ta ñược: W1 + Q1 + W3 = 0 W2 + Q2 + Q3 = 0 Suy ra : W1 + Q1 = W2 + Q2 =… = const = BAQW )( + Như vậy, giá trị của tổng W + Q ñối với một biến ñổi bất kì của hệ kín không phụ thuộc vào ñường biến ñổi mà chỉ phụ thuộc vào ñiểm ñi và ñiểm ñến. Nó biểu thị ñộ biến thiên của một hàm của các thông số trạng thái của hệ. Hàm trạng thái này ñược gọi là nội năng U của hệ. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 B AAB QWUU )( +=− Hay : QWU +=∆ 1.1.2.1. Biến ñổi ñoạn nhiệt: Trong biến ñổi ñoạn nhiệt Q = 0. Biểu thức tóan học của nguyên lí I có dạng : WU =∆ ðặc biệt với chu trình : WU =∆ = 0. Một lần nữa chúng ta lại thấy: một hệ chạy theo chu trình không trao ñổi nhiệt với bên ngoài không thể sinh công. 1.1.2.2. Biến ñổi ñẳng tích: Trong biến ñổi ñẳng tích 0=∆V . Do ñó, nếu 0. =−= dVPW ngδ và ta có: QdU δ= ∫ = ==∆ constV VQQU δ Như vậy, QV bằng ñộ biến thiên của một hàm trạng thái( )U∆ và không phụ thuộc vào ñường biến ñổi. 1.1.2.3. Hệ cô lập: Khi một hệ nhiệt ñộng là câ lập, nó không thể trao ñổi năng lượng với môi trường ngoài W = 0 và Q = 0. Vậy U∆ = 0. Nội năng của một hệ cô lập là không ñổi 1.1.3. Hàm trạng thái entanpi(H): Xét một hệ không có thể thực hiện công có ích. dVPQdU ng .−= δ Trong quá trình ñẳng áp, khi Png = Phệ = P, ta có: dVPQdU P .−= δ Vì dP = 0 nên PdV = PdV + VdP = d(PV). Và : )()( PVUdPVddUQP +=+=δ ðại lượng : H = U + PV ñược gọi là entanpi của hệ. H là một hàm trạng thái vì U và PV ñều là hàm trạng thái. ðối với khí lí tưởng thì PV = n.RT , do ñó: H = U + n.RT = H(T). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 Như vậy: dHQP =δ và ∆Η=PQ 1.1.4. Phương pháp tính hiệu ứng nhiệt: 1.1.4.1. Entanpi sinh: Entanpi sinh của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất ấy từ các ñơn chất ở vào trạng thái bền vững nhất trong những ñiều kiện ñã cho về nhiệt ñộ và áp suất. Nếu ñiều kiện này là ñiều kiện tiêu chuẩn thì entanpi sinh ñược gọi là entanpi sinh chuẩn và ñược kí hiệu bằng oS 298,∆Η Entanpi của một phản ứng hóa học bằng tổng entanpi sinh của các sản phẩm trừ tổng entanpi sinh của các chất phản ứng. ∑ ∆Η=∆Η .i S(sản phẩm) - ∑ ∆Η.j S(chất phản ứng) Với ivà j là những hệ số hợp thức trong phương trình phản ứng. Entanpi sinh nguyên tử Khi một mol hợp chất khí ñược tạo thành từ các nguyên tử thì ñộ biến thiên entanpi của quá trình này ñược gọi là entanpi sinh nguyên tử. Entanpi sinh của chất tan Entanpi sinh của chất tan là hiệu ứng nhiệt của quá trình hình thành một mol chất ở trạng thái tan từ các ñơn chất ở vào trạng thái bền vững nhất trong các ñiều kiện ñã cho về nhiệt ñộ và áp suất. 1.1.4.2. Entanpi cháy: Entanpi cháy của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng ñốt cháy một mol chất tới các dạng oxi hóa thích ứng của các nguyên tố. Entanpi cháy của các chất ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm và thường ñược quy về các ñiều kiện tiêu chuẩn: Entanpi cháy tiêu chuẩn och 298,∆Η “Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học bằng tổng các entanpi cháy của các chất phản ứng trừ ñi tổng các entanpi cháy của các sản phẩm”. ∑ ∆Η=∆Η .i ch(chất phản ứng) - ∑ ∆Η.j ch(sản phẩm) Với ivà j là những hệ số hợp thức trong phương trình phản ứng. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 1.1.4.3. Năng lượng liên kết: Năng lượng của một liên kết ñịnh vị là năng lượng ñược giải phóng khi liên kết hóa học ñược hình thành từ những nguyên tử cô lập. “Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học bằng tổng các năng lượng liên kết của các phân tử sản phẩm trừ ñi tổng các năng lượng liên kết của các chất phản ứng”. 1.1.5.4. Năng lượng mạng lưới tinh thể ion: Trong ñiều kiện bình thường, các hợp chất ion có cấu trúc tinh thể. Trong mạng lưới tinh thể ion không có ranh giới giữa các phân tử. Mỗi tinh thể ñược coi như một phân tử. Vì lí do ñó, ñối với loại hợp chất này, người ta ít dùng năng lượng liên kết mà dùng năng lượng mạng lưới tinh thể. ðây là năng lượng ñược giải phóng khi một mol chất tinh thể ñược hình thành từ các ion ở thể khí 1.2. Nguyên lí thứ hai của nhiệt ñộng học: 1.2.1. Phát biểu nguyên lí II: + Cách phát biểu thứ nhất: Cách phát biểu này do Clausius ñề xuất nên cũng ñược gọi là cách phát biểu Clausius hay ñịnh ñề Clausius. “Không thể có quá trình mà kết quả duy nhất chỉ là chuyển nhiệt từ vật có nhiệt ñộ thấp sang vật có nhiệt ñộ cao; hoặc nhiệt không thể chuyển từ vật lạnh sang vật nóng nếu ñồng thời không diễn ra một quá trình ñền bù nào khác”. + Cách phát biểu thứ hai: “Không thể chế tạo ñược một ñộng cơ làm việc theo chu trình, lấy nhiệt từ một nguồn và biến hòan toàn thành công 9 ñộng cơ vĩnh cửi loại hai)”. Cách phát biểu này do Thomson ñề xuất nên còn ñược gọi là cách phát biểu của Thomson 1.2.2. Chiều hướng diễn biến của một phản ứng hóa học: 1.2.2.1. Tiêu chuẩn chiều hướng diễn biến: Các phản ứng hóa học thường diễn ra trong ñiều kiện ñẳng nhiệt, ñẳng áp. Theo quy luật ở trên, muốn xác ñịnh khả năng diễn biến của chúng ở những nhiệt ñộ và áp suất xác ñịnh chúng ta phải tính biến thiên entanpi tự do G∆ trong phản ứng tại PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 những ñiều kiện ñó. Giá trị âm của G∆ cho biết phản ứng có khả năng diễn ra hay không về mặt nhiệt ñộng học. + G∆ < 0 : phản ứng tự diễn biến + G∆ = 0: phản ứng cân bằng + G∆ > 0: phản ứng không tự diễn biến 1.2.2.2. Một số phương pháp tính: + Cách 1: Ở nhiệt ñộ và áp suất không ñổi: STG ∆−∆Η=∆ . + Cách 2: Trong phương pháp này 0298G∆ (phản ứng) ñược tính từ entanpi tự do sinh tiêu chuẩn của các chất o Si o T GG ∆=∆ ∑ .'υ (sản phẩm) - oSi G∆∑ .υ (chất phản ứng) + Cách 3: ðối với các phản ứng oxi hóa – khử có thể diễn ra trong pin ñiện, bằng cách ño sức ñiện ñộng E của pin, ta có thể tính G∆ theo hệ thức: G∆ = - n.F.E. Với: n : số electron trao ñổi trong phản ứng. F : ñiện lượng tương ứng với 1 mol electron. F = 96500 C 1.3. Cân bằng hóa học: 1.3.1. Cân bằng ñồng thể: 1.3.1.1. Cân bằng ñồng thể trong pha khí: Trong trường hợp này, các chất phản ứng và các sản phẩm ñều là các khí. Nếu chúng ñược coi là khí lí tưởng thì ai = o i P P với Po = 1 atm và o i o o iki P P RTPT ln.),()( += µµ . Như vậy, hằng số cân bằng ñược biểu thị qua các áp suất phần của các khí và ñược kí hiệu là KP. [ ] υυ ∆−∏= oiP PPK i . với ∑∑ −=∆ ii υυυ ' PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10 KP chỉ phụ thuộc vào nhiệt ñộ, không có thứ nguyên và liên hệ với oG∆ của phản ứng bởi hệ thức: PoT KRTG ln.−=∆ Nếu trạng thái tiêu chuẩn của khí tương ứng với Po = 1atm thì phải biểu thị các áp suất phần bằng atm Các biểu thức khác của hằng số cân bằng trong pha khí Khi phản ứng hoá học xảy ra trong pha khí, ta có thể biểu thị hằng số cân bằng qua phần mol hoặc nồng ñộ mol của các chất phản ứng và các sản phẩm phản ứng lúc cân bằng. Trong trường hợp thứ nhất, nếu gọi ni là số mol của khí I thì phần mol của nó bằng: P P n n x i i i i == ∑ Kx(T,P) là một hằng số ở một nhiệt ñộ và áp suất xác ñịnh. ðó là hằng số cân bằng của phản ứng ñược biểu thị qua phần mol xi mỗi khí. Trong trường hợp thứ hai, bằng cách thay nồng ñộ mol của chất i : [ ] RT P V ni ii == vào (4.9), ta ñược: [ ]( )[ ] [ ][ ] υυυυ ∆∆−       = ∏∏ o oP P RTiPRTiK iI Kc(T) là một hằng số ở một nhiệt ñộ xác ñịnh. ðây là hằng số cân bằng ñược biểu thị qua nồng ñộ mol của các chất. Quan hệ giữa Kc và Kp ñược biểu thị bởi hệ thức: υ∆       = RT P KTK oPC )( Trong trường hợp cuối cùng, gọi ni là số mol của chất i : RT VPn ii = PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 1.3.1.2. Cân bằng ñồng thể trong pha lỏng: Nếu các chất phản ứng và các sản phẩm hoàn toàn trộn lẫn vào nhau ở trạng thái lỏng và dung dịch ñược coi như lí tưởng thì trong biểu thức của hoá thế của chất i, ta thay ai = xi ( xi - phần mol của chất nguyên chất I trong hỗn hợp lỏng ). i o iii xRTTxT ln.)(),.( += µµ Quan hệ giữa Kx và oG∆ của phản ứng ñược biểu thị bởi hệ thức”: x o KRTG ln.−=∆ 1.3.2.Cân bằng hoá học dị thể: Trong trường hợp này, cách viết biểu thức của hằng số cân bằng phụ thuộc vào bản chất của các pha có mặt trong hệ phản ứng. * Hệ phản ứng gồm pha lỏng và một pha khí : Khi viết biểu thức của hằng số cân bằng , ta thay hoạt ñộ của các chất khí nguyên chất bằng áp suất phần của chúng và thay hoạt ñộ của các chất trong pha lỏng bằng phân số mol của chúng, hoặc bằng nồng ñộ mol nếu là dung dịch nước loãng. * Hệ phản ứng gồm một pha lỏng và nhiều pha rắn: Trong trường hợp này, khi viết biểu thức của hằng số cân bằng chỉ cần ñể ý ñến phân số mol của các chất tan trong pha lỏng. Nếu là dung dịch nước loãng thì có thể thay phân số mol của các chất tan bằng nồng ñộ mol. 1.3.3. Sự chuyển dịch cân bằng: Khi một phản ứng hoá học ñã ở trạng thái cân bằng thì trạng thái này ñược giữ lâu bao nhiêu cũng ñược. Nếu các yếu tố quyết ñịnh cân bằng như nhiệt ñộ, áp suất, nồng ñộ … không thay ñổi. Tuy nhiên, nếu một trong các yếu tố này thay ñổi thì sẽ có sự chuyển dịch cân bằng. Hai yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất là nhiệt ñộ và áp suất. 1.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ. ðịnh luật Van Hoff: “ Sự tăng nhiệt ñộ của một hỗn hợp cân bằng ( ở P hay V = const 0 làm chuyển dịch cân bằng theo chiều của phản ứng thu nhiệt “. * Cân bằng diễn ra trong pha khí hay cân bằng dị thể khí - rắn: PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 Như ñã biết, ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến biến thiên entanpi tự do của phản ứng hoá học ñược biểu thị bởi phương trình Gibbs – Helmholtz 2TdT T Gd o T o T ∆Η −=       ∆ Thay PoT KRTG ln.−=∆ vào ñó ta ñược: 2 ln RTdT Kd oTP ∆Η = (4.27) Phương trình (4.27 là phương trình ñẳng áp của phản ứng hoá học hay phương trình ñẳng áp Van Hoff ocP O CP PRTKKP RTKK ln.ln.lnln υυ υ ∆−∆+=→      = ∆ Lấy ñạo hàm ñối với T, ta ñược: 2 ln RT U dT Kd oTC ∆ = ( 4.28) Phương trình (4.28) là phương trình ñẳng tích của phản ứng hóa học hay phương trình ñẳng tích Van Hoff * Cân bằng diễn ra trong pha lỏng: Bằng phương pháp tương tự như ở trên ta tìm ñược: 2 2 ln ln RTdT Kd RT H dT Kd o TC o Tx ∆Η = ∆ = 1.3.3.2. Ảnh hưởng của áp suất. ðịnh luật LeChalelier: “ Sự tăng áp suất của một hỗn hợp cân bằng ( ở T = const ) làm chuyển dịch cân bằng theo chiều làm giảm số mol các khí “. Không chịu ảnh hưởng của áp suất. Ta có: υ∆       = p P KPTK oPx ),( PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 13 Phương trình trên cho thấy: + ðối với các phản ứng diễn ra với sự giảm số mol khí ( )0<∆υ thì khi P tăng, Kx tăng, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ( chều làm giảm số mol khí hay làm giảm áp suất). + ðối với các phản ứng diễn ra với sự tăng số mol khí ( )0>∆υ thì khi P tăng, Kx giảm, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch ( chiều làm giảm áp suất). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 14 Chương 2. THỐNG KÊ KIẾN THỨC NHIỆT ðỘNG HỌC TRONG CHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 2.1. Các nội dung về nhiệt hóa học: Chương trình cơ bản và chương trình nâng cao không có bài riêng ñể nói về vấn ñề này. Còn chương trình lớp chuyên thì có riêng một bài về vấn ñề nhiệt hóa học. ðó là bài “Nhiệt phản ứng và nguyên lí thứ nhất của nhiệt ñộng học ”. Bài này gồm có những vấn ñề sau: - Những khái niệm mở ñầu: + Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học + Phản ứng tỏa nhiệt, phản ứng thu nhiệt. - Các phép tính về nhiệt hóa học: + Năng lượng liên kết và nhiệt phản ứng + Nhiệt tạo thành, nhiệt phân hủy. + ðịnh luật Hes + Cách tính nhiệt phản ứng + Nhiệt hòa tan - Nguyên lí thứ nhất của nhiệt ñộng học + Nội năng U + Hàm trạng thái H - Nguyên lí thứ hai của nhiệt ñộng học + Quá trình tự diễn biến + Entropi + Nguyên lí thứ hai của nhiệt ñộng học - Năng lượng tự do Gip 2.2. Cân bằng hoá học: Cả 3 chương trình: cơ bản, nâng cao và phân ban ñều có bài nói về cân bằng hóa học nhưng mỗi chương trình có mức ñộ thể hiện khác nhau. Chương trình cơ bản thì giới thiệu về cân bằng hóa học ñể học sinh c