Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 Cánh diều bài 6: Hóa học về phản ứng cháy và nổ

Câu hỏi khởi động

Quan sát các phản ứng trong Hình 6.1 và Hình 6.2, cho biết tốc độ của phản ứng nào lớn hơn?

Hướng dẫn trả lời:

Hình 6.1: Phản ứng cháy;

Hình 6.2: Phản ứng nổ;

Tốc độ phản ứng nổ pháo hoa lớn hơn.

I. Biến thiên enthalpy của phản ứng cháy, nổ

Câu hỏi 1: Có những cách nào để tính biến thiên enthalpy của phản ứng?

Câu hỏi 2: Nhắc lại cách tính biến thiên theo enthalpy phản ứng theo năng lượng liên kết.

Luyện tập 1:

Đốt cháy hoàn toàn 1 gam (ở thể hơi) mỗi chất trong dãy CH₄, CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄ sẽ tỏa ra bao nhiêu kilôJun nhiệt lượng trong điều kiện chuẩn? Biết sản phẩm phản ứng là CO₂, H₂O, HCl, Cl₂ đều ở thể khí. Năng lượng của một số liên kết được cho ở Phụ lục 3.

Luyện tập 2: So sánh mức độ mãnh liệt của phản ứng đốt cháy các chất trên.

Câu hỏi 3: Xác định nhiệt lượng (kJ) tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 gam mỗi chất CH₄, C₂H₂ ở điều kiện chuẩn. Biết các sản phẩm thu được đều ở thể khí.

Câu hỏi 4: Hãy tính ứng với 1 gam mỗi muối trong các phản ứng (1’), (2’), (3’) tỏa ra bao nhiêu kilôJun nhiệt lượng.

Vận dụng 1: Nêu thành phần đầu que diêm và vỏ quẹt bao diêm; cơ sở hóa học sự tạo lửa của diêm.

Vận dụng 2: Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của các cuộc chiến tranh để lại. Một trong số đó chính là hàng nghìn tấn bom mìn, vật liệu nổ hiện còn sót lại trên khắp cả nước. Em hãy tìm hiểu và trả lời các câu hỏi:

a) Có bao nhiêu tỉnh thành bị ô nhiễm bởi bom mìn? Tổng diện tích ô nhiễm bom mìn, vật liệu nổ trên cả nước là bao nhiêu? Ô nhiễm bom mìn và vật liệu nổ đã gây nên những thiệt hại như thế nào? 

b) Hãy đề xuất những hành động để làm giảm nguy cơ thiệt hại gây ra các vụ nổ bom mìn và vật liệu nổ.

Vận dụng 3: Ngày 04 – 8 – 2020 tại cảng biển thành phố Beirut, thủ đô của Liban đã xảy ra hai vụ nổ liên tiếp. Nguyên nhân gây ra bở vụ nổ của 2750 tấn ammonium nitrate (NH₄NO₃). Vụ nổ này gây ra thiệt hại rất lớn về người và của: 207 người chất, khoảng 7500 người bị thương, khoảng 300 000 người mất nhà cửa, tổng thiệt hại lên đến 10 – 15 tỉ USD.

Giải thích vì sao một loại đạm thông thường như ammonium nitrate lại có thể phát nổ được. Từ đó, đề xuất cách phòng chống cháy nổ phân đạm khi lưu trữ trong nhà kho.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 1:

Có hai cách tính biến thiên enthalpy của phản ứng:

Cách 1: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo enthalpy tạo thành.

Cách 2: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng theo năng lượng liên kết.

Câu hỏi 2:

Giả sử có phản ứng tổng quát:

aA(g) + bB(g) → mM(g) + nN(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = a.Eb(A) + b.Eb(B) – m.Eb(M) – n.Eb(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.

Luyện tập 1:

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = Eb(CH4) + 2.Eb(O2) –  Eb(CO2) – 2.Eb(H2O)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4EC-H + 2.EO=O – 2.EC=O – 2.2.EO-H

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4.414 + 2.498 – 2.736 – 2.2.464 = -676 kJ

Đốt cháy 1 mol CH4(g) tỏa ra 676 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy 1 gam (tương đương với 1/16 mol) CH4(g) tỏa ra 676 : 16 = 42,25 kJ nhiệt lượng.

2CH3Cl(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 2H2O(g) + 2HCl(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$  = 2.Eb(CH3Cl) + 3.Eb(O2) –  2.Eb(CO2) – 2.Eb(H2O) – 2.Eb(HCl)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.(EC-Cl + 3.EC-H) + 3.EO=O – 2.2.EC=O – 2.2EO-H – 2.EH-Cl

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.(339 + 3.414) + 3.498 – 2.2.736 – 2.2.464 – 2.431 = -1006 kJ

Đốt cháy 2 mol CH3Cl(g) tỏa ra 1006 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy 1 gam = 1/50,5 mol CH3Cl(g) tỏa ra (1006:2).(1:50,5) = 9,96 kJ nhiệt lượng

2CH2Cl2(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 2H2O(g) + 2Cl2(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.Eb(CH2Cl2) + 3.Eb(O2) –  2.Eb(CO2) – 2.Eb(H2O) – 2.Eb(Cl2)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.(2EC-Cl + 2EC-H) + 3.EO=O - 2.2.EC=O – 2.2EO-H – 2.ECl-Cl

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.(2.339 + 2.414) + 3.498 – 2.2.736 – 2.2.464 – 2.243 = -780 kJ

Đốt cháy 2 mol CH2Cl2(g) tỏa ra 780 kJ nhiệt lượng

Đốt cháy 1 gam = 1/85 mol CH2Cl2(g) tỏa ra là (780:2).(1:85) = 4,59 kJ nhiệt lượng

4CHCl3(g) + 5O2(g)  → 4CO2(g) + 2H2O(g) + 6Cl2(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4.Eb(CHCl3) + 5.Eb(O2) –  4.Eb(CO2) – 2.Eb(H2O) – 6.Eb(Cl2)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4.(3.EC-Cl + EC-H) + 5.EO=O - 4.2.EC=O – 2.2EO-H – 6.ECl-Cl

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4.(3.339 + 414) + 5.498 – 4.2.736 – 2.2.464 – 6.243 = -988 kJ

Đốt cháy 4 mol CHCl3(g) tỏa ra 988 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy 1 gam = 1/119,5 mol CHCl3(g) tỏa ra là (988 : 4) :119,5 = 2,07 kJ nhiệt lượng.

CCl4(g) + O2(g) → CO2(g) + 2Cl2(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = Eb(CCl4) + Eb(O2) –  Eb(CO2) – 2.Eb(Cl2)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 4.EC-Cl + EO=O  - 2.EC=O – 2.ECl-Cl

∆rHo298H298o = 4.339 + 498 – 2.736 – 2.243 = -104 kJ

Đốt cháy 1 mol CCl4(g) tỏa ra 104 kJ nhiệt lượng

Đốt cháy 1 gam = 1/154 mol CCl4(g) tỏa ra là 104 : 154 = 0,68 kJ nhiệt lượng.

Luyện tập 2:

Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy cùng một khối lượng các chất trên tăng dần theo dãy:

CCl4(g) (0,68 kJ) < CH3Cl(g) (2,07 kJ) < CH2Cl2 (g) (4,59 kJ) < CH3Cl (g) (9,96 kJ) < CH4 (42,25 kJ).

Vậy độ mãnh liệt khi đốt các chất tăng dần theo thứ tự: CCl4 < CHCl3 < CH2Cl2 < CH3Cl < CH4.

Câu hỏi 3:

Xác định nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 gam CH₄:

1 gam CH4 ứng với 1/16 mol CH4

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(g)         $\Delta _{r}H_{298}^{o}$  = -890,5 kJ

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH4 tỏa ra 890,5 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy hoàn toàn 116116 mol CH4 tỏa ra 890,5 : 16 = 55,66 kJ nhiệt lượng.

Xác định nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 gam C2H2:

1 gam C2H2 ứng với 126126 mol C2H2

C2H2(g) + 5252O2(g) → 2CO2(g) + H2O(g)      $\Delta _{r}H_{298}^{o}$  = -1300,2 kJ

Đốt cháy hoàn toàn 1 mol C₂H₂ tỏa ra 1300,2 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy hoàn toàn 1/26mol C₂H₂ tỏa ra 1300,2 : 26 = 50,01 kJ

Câu hỏi 4: 

Phân hủy 2 mol KNO₃(s) khi có mặt C tỏa ra 143,9 kJ nhiệt lượng

⇒ Phân hủy 1 gam (hay 1/101 mol) KNO₃(s) khi có mặt C tỏa ra

(143,9 : 2). (1 : 101) = 0,71 kJ nhiệt lượng.

Phân hủy 2 mol KClO₃(s) khi có mặt C tỏa ra 1258,1 kJ nhiệt lượng

⇒ Phân hủy 1 gam (hay  1/122,5 mol) KClO₃(s) khi có mặt C tỏa ra

(1258,1:2).(1:122,5) = 5,14 kJ nhiệt lượng.

Phân hủy 2 mol KMnO₄(s) khi có mặt C tỏa ra 419,1 kJ nhiệt lượng

⇒ Phân hủy 1 gam =  1/158 mol KMnO₄(s) khi có mặt C tỏa ra 

(419,1:2).(1:158) = 1,33 kJ nhiệt lượng.

Vận dụng 1: 

Thành phần đầu que diêm: antimony trisulphide (S₆Sb₄ hoặc S₃Sb₂) và potassium chlorate (KClO₃)

Thành phần vỏ quẹt bao diêm: bột ma sát, phosphorus đỏ và keo thủy tinh lỏng.

Cơ sở hóa học tạo lửa của diêm: Khi ta quẹt que diêm vào bề mặt vỏ hộp. Nhiệt phát ra do ma sát biến phosphorus đỏ thành phosphorus trắng. Phosphorus trắng là chất không bền, dễ bốc cháy ở nhiệt độ phòng khi tiếp xúc với không khí. Tia lửa sinh ra đốt cháy đầu que diêm. KClO3 ở đầu que diêm bị nhiệt phân tạo ra oxi và nhanh chóng là antimony trisulphide (S6Sb4 hoặc S3Sb2) cháy.

Vận dụng 2: 

a) Tất cả 63/63 tỉnh thành phố Việt Nam đều bị ô nhiễm bom mìn.

- Theo ước tính, số bom đạn còn sót lại sau chiến tranh khoảng 800 000 tấn, làm ô nhiễm trên 20% diện tích đất đai toàn quốc.

- Thiệt hại do ô nhiễm bom mìn và vật liệu nổ gây nên:

+ Từ năm 1975 đến nay, bom mìn còn sót lại đã làm hơn 40 nghìn người bị chết, 60 nghìn người bị thương, trong đó phần lớn và người lao động chính trong gia đình và trẻ em.

+ Chỉ tính riêng tại một số tỉnh miền Trung như (Quảng Bình, Bình Định, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế và Quảng Ngãi) đã có trên 22.800 nạn nhân do bom mìn, trong đó, 10.540 người chết và 12.260 người bị thương. 

b) Những hành động để làm giảm nguy cơ thiệt hại gây ra các vụ nổ bom mìn và vật liệu nổ:

-  Tuyệt đối không tác động trực tiếp vào bom mìn và vật liệu chưa nổ như cưa đục bom mìn, mở tháo bom mìn, ném vật khác vào bom mìn, và vận chuyển bom mìn, không đốt lửa trên vùng đất còn nhiều bom mìn, không đi vào khu vực có cảnh báo nguy hiểm. Nếu đã nhỡ đi vào thì phải thận trọng đi ra theo lối đã đi vào, hoặc đứng yên la to cho người khác biết để giúp đỡ.

- Không chơi đùa ở những nơi có thể còn sót lại bom mìn như hố bom, bụi rậm, căn cứ quân sự cũ.

- Khi thấy vật lạ nghi là bom mìn phải tránh xa và báo cho cơ quan chức năng.

- Không đứng xem người khác cưa đục, tháo dỡ bom mìn, không tham gia rà tìm và buôn bán phế liệu chiến tranh.

- Tuyên truyền, giáo dục phòng tránh tai nạn bom mìn cho mọi người.

Vận dụng 3:

Trong điều kiện bảo quản bình thường và không có nhiệt độ cao, ammonium nitrate rất ổn định, khó cháy và hầu như không thể bị kích nổ. Tuy nhiên, do ammonium nitrate là chất oxi hóa mạnh, khi kết hợp với chất dễ cháy, ammonium nitrate tạo ra chất nổ rất mạnh.

Vì thế khi lưu trữ ammonium nitrate trong nhà kho cần tránh xa các chất dễ cháy và tránh xa nguồn nhiệt.

II. Sự thay đổi tốc độ của phản ứng theo nồng độ oxygen

1. Phản ứng cháy

Câu hỏi 5: Giải thích vì sao ở những nơi có điều kiện, người ta bơm khí nitrogen vào lốp xe ô tô thay cho không khí.

Vận dụng 4 

Giải thích các yếu tố nguy hiểm trong ba trường hợp sau:

a) Ngủ trong phòng nhỏ và kín.

b) Hít thở trong khu vực kín có đám cháy.

c) Đốt than trong phòng kín. Cho biết khi thiếu không khí, than cháy sinh ra nhiều khí CO.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 5:

Ở những nơi có điều kiện, người ta bơm khí nitrogen vào lốp xe ô tô thay cho không khí vì một số ưu điểm sau:

- Ít bị rò rỉ: Không khí thoát ra khỏi lốp thông qua cấu trúc phân tử của cao su bị kéo giãn khi bánh xe lăn. Nguyên tử nitrogen to hơn so với oxygen, do đó ít bị rò rỉ, duy trì áp suất lốp ổn định, lâu xuống hơi.

- Giảm hao mòn: Không khí thông thường sẽ chứa hơi nước làm rỉ sét bên trong bánh xe hoặc thân van, khi bơm nitơ sẽ giảm thiểu được điều này.

Vận dụng 4

a) Ngủ trong phòng hẹp và kín sẽ làm nồng độ oxygen của không khí trong phòng dần giảm đi, do đó người ngủ trong phòng có nguy cơ bị thiếu oxygen. Cơ thể thiếu oxygen khiến cho hoạt động hô hấp và quá trình trong cơ thể bị rối loạn, suy giảm chức năng.

b) Trong khu vực kín có đám cháy nồng độ oxygen giảm. Nếu nồng độ oxygen trong không khí giảm xuống còn 12% sẽ gây chóng mặt, đứng không vững …; nếu hàm lượng oxygen trong không khí giảm xuống còn 8% sẽ gây bất tỉnh, thiệt mạng trong khoảng 7 – 8 phút. Ngoài ra, đám cháy còn sinh ra nhiều khí độc, có thể khiến con người tử vong.

c) Khi thiếu không khí, than cháy sinh ra nhiều khí CO độc. CO sẽ ngăn cản phân tử hemoglobin (Hb) trong máu nhận O₂. Mặt khác CO sẽ ngăn cản HbO₂ chuyển thành O₂ để cung cấp O₂ cho các hoạt động của cơ thể. Vì thế đốt than trong phòng kín có thể gây ngộ độc CO và tử vong.

Bài tập

Bài 1: Hỗn hợp bột Al và NH4ClO4 được dùng làm nhiên liệu rắn cho tên lửa. Hỗn hợp bột Al và Fe2O3 được dùng để hàn kim loại. Phản ứng xảy ra khi sử dụng các hỗn hợp bột này như sau:

3Al(s) + 3NH4ClO4(s) → Al2O3(s) + AlCl3(s) + 3NO(g) + 6H2O(g) (1)

2Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2Fe(l)         (2)

Các giá trị $\Delta _{f}H_{298}^{o}$ (kJ mol-1) tra ở Phụ lục 2.

a) Bằng tính toán hãy cho biết: 1 gam hỗn hợp bột nào (trộn theo đúng tỉ lệ phản ứng) tỏa ra nhiều nhiệt hơn. Từ đó dự đoán phản ứng nào xảy ra mãnh liệt hơn

b) Có thể dùng hỗn hợp bột Al và Fe2O3 làm nhiên liệu trong động cơ tên lửa được không?

Bài 2: Hexachlorobenzene rắn (C6Cl6) là chất cực kì độc hại với con người nên được bảo quản rất kĩ lưỡng. Nếu xảy ra hỏa hoạn nhà kho có chứa C6Cl6 thì chất này có dễ dàng bị tiêu hủy bởi phản ứng cháy với oxygen hay không? Hãy dự đoán bằng cách tính biến thiên enthalpy của phản ứng. Biết rằng phản ứng cháy sinh ra CO2 và Cl2.

Bài 3: Cho phản ứng đốt cháy hoàn toàn khí propane:

C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g)

Tốc độ của phản ứng sẽ thay đổi như thế nào nếu nồng độ oxygen trong không khí giảm từ 21% xuống 15% (theo thể tích)? Các yếu tố khác coi như không đổi.

Bài 4: Cho phản ứng giữa Hb với O2 ở phổi:

Hb + O2 → HbO2

Giả sử lượng oxygen cung cấp cho cơ thể chỉ phụ thuộc vào tốc độ phản ứng; tần số nhịp thở trung bình của một người là 16 nhịp/ phút. Hỏi nếu nồng độ oxygen trong không khí giảm từ 21% xuống 18% (theo thể tích) thì tần số nhịp thở trung bình là bao nhiêu để đảm bảo lượng oxygen cung cấp cho cơ thể không thay đổi?

Hướng dẫn trả lời:

Bài 1:

a) Xét phản ứng (1):

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Al2O3(s)) + $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(AlCl3(s)) + 3.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(NO(g)) + 6.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(H2O(g)) - 3.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Al(s)) - 3.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(NH4ClO4(s)) = (-1675,7) + (-704,2) + 3.91,3 + 6.(-241,8) – 3.0 – 3.(-295,3) = -2670,9 kJ

Đốt cháy 3 mol Al(s) và 3 mol NH4ClO4(s)  (hay mhh = 433,5 gam)  tỏa ra 2670,9 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy 1 gam hỗn hợp Al và NH4ClO4 tỏa ra 2670,9 : 433,5 = 6,16 kJ nhiệt lượng

Xét phản ứng (2):

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Al2O3(s)) + 2.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Fe(l)) – 2. $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Al(s)) - $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Fe2O3(s)) = (-1675,7) + 2.13,1 – 2.0 – (-824,2) = -825,24 kJ

Đốt cháy hỗn hợp gồm 2 mol Al(s) và 1 mol  Fe2O3(s) (hay mhh = 214 gam) tỏa ra 825,24 kJ nhiệt lượng

⇒ Đốt cháy 1 gam hỗn hợp trên tỏa ra 825,24 : 214 = 3,86 kJ nhiệt lượng

Như vậy ta thấy nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy 1 gam hỗn hợp Al(s) và NH4ClO4(s) là lớn hơn ⇒ Phản ứng (1) xảy ra mãnh liệt hơn.

Chú ý: Đề bài đã cho 1 gam hỗn hợp xảy ra theo đúng tỉ lệ phản ứng.

b) Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cùng một lượng hỗn hợp bột Al (s) và Fe2O3 (s) chỉ bằng một nửa so với Al(s) và NH4ClO4(s) nên không dùng được Al và Fe2O3 cho động cơ tên lửa.

Bài 2: 

C6Cl6(s) + 6O2(g) →  6CO2(g) + 3Cl2(g)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 6.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(CO2(g)) + 3.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Cl2(g)) - $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(C6Cl6(s)) – 6.$\Delta _{f}H_{298}^{o}$(O2(g))

$\Delta _{f}H_{298}^{o}$ = 6.(-393,5) + 3.0 – (-127,6) – 6.0 = -2233,4 kJ

Biến thiên enthalpy của phản ứng là rất âm ⇒ Nếu xảy ra hỏa hoạn nhà kho có chứa C6Cl6 thì chất này dễ dàng bị tiêu hủy bởi phản ứng cháy với oxygen.

Bài 3: Biểu thức tốc độ phản ứng:

v = k.$C_{C_{3}H_{8}}C{_{O_{2}}^{5}}$

Gọi nồng độ ban đầu của các chất: $C_{C_{3}H_{8}}$= x M; $C_{O_{2}}$= y M 

Khi đó ta có: vt = k.x.y5     (1)

Nồng độ oxygen trong không khí giảm từ 21% xuống 15% (theo thể tích) tức là giảm xuống 1,4 lần.

Biểu thức tốc độ phản ứng sau khi giảm nồng độ oxygen là

vs = k.x.$(\frac{y}{1,4})^{5}$  (2)

Chia từng vế của (2) cho (1) ta được:

$\frac{v_{s}}{v_{t}} = \frac{(\frac{y}{1,4})^{5}}{y^{5}}$  = 0,19

Vậy tốc độ phản ứng giảm 0,19 lần nếu nồng độ oxygen trong không khí giảm từ 21% xuống 15% (theo thể tích).

Bài 4:

Hb + O2 → HbO2  

Biểu thức tính tốc độ phản ứng:

v = k.CHb. CO2

Từ biểu thức, tốc độ phản ứng tỉ lệ bậc nhất với nồng độ O2 nên:

 =0,86

⇒ Tốc độ phản ứng giảm chỉ còn bằng 0,86 lần tốc độ ban đầu.

Như vậy tần số nhịp thở phải tăng lên 1/0,86 lần tần số ban đầu để đảm bảo lượng oxygen cung cấp cho cơ thể là không đổi.

⇒ Tần số nhịp thở là 16 : 0,86 = 19 nhịp/phút.