Q3 HOA LI OLYMPIAD (CÓ ĐÁP ÁN)

50 chuyên đề Olympiad Hóa học

3
Nhiệt động học
& Động hóa học


Lời mở đầu
Các bạn độc giả thân mến. Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ
OLYMPIAD HÓA HỌC - là tuyển tập các câu hỏi trong đề thi Olympiad quốc
tế và nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần đây, được phân
chia chi tiết thành 50 chuyên đề nhỏ.
Từ cách đây 15 năm, các [cựu] quản trị viên box Hóa học OlympiaVN (nay
là Tạp chí KEM & website sachhoahoc.xyz) đã bắt đầu biên soạn các tài liệu
tương tự, được lưu hành nội bộ - gọi là các Compilation. Tuy nhiên, 3 bộ
Compilation trước đây bị giới hạn về mặt nội dung (chủ yếu là đề thi HSGQG
Việt Nam và IChO, cùng với đề thi Olympiad của khoảng 3, 4 nước), cũng
như nhân lực và thời gian có hạn nên sự phân chia các chuyên mục chưa
thực sự chi tiết, chỉ chia thành 7 phần lớn chứ chưa chia nhỏ thành các
mảng chun đề sâu hơn. Chính vì vậy, trong năm 2018-2019, chúng tôi
quyết định biên soạn lại bộ sách này, với cập nhật thêm đề thi từ rất nhiều
quốc gia trên thế giới (đặc biệt là những nước có truyền thống về Olympiad
Hóa học như Trung Quốc, Nga và các nước Soviet cũ, các quốc gia khu vực
Baltic, ... ) và quan trọng hơn là phân chia nội dung chi tiết hơn, với 6 lĩnh
vực, 50 chuyên đề - cố gắng bám sát khung chương trình IChO trong khả
năng có thể. Hi vọng rằng, với tuyển tập này, lời đáp cho câu hỏi: "Có những
gì trong đề thi Olympiad Hóa học?" mà rất nhiều độc giả, đặc biệt là những
bạn học sinh THPT, vốn thường thắc mắc - sẽ phần nào sáng tỏ.
Lưu ý rằng tuyển tập này chọn lọc những câu hỏi từ các đề thi Olympiad,
do đó bạn sẽ cần phải có một nền tảng kiến thức tương đối vững chắc về
Hóa học phổ thơng chuyên sâu để trước khi bắt đầu với hành trình chinh

phục kiến thức này. Ngoài ra, do tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu nên tuyển
tập chưa có được sự thống nhất về mặt danh pháp, mong bạn bỏ qua cho
sự bất tiện này.
Chúc bạn tìm thấy những niềm vui trong học tập.

1 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Mục lục
Chuyên đề 20: Nguyên lí thứ nhất và enthalpy ................................................................ 6
Bài 1 ............................................................................................................................. 6
Bài 2.............................................................................................................................. 7
Bài 3............................................................................................................................ 10
Bài 4............................................................................................................................ 13
Bài 5 ........................................................................................................................... 16
Bài 6 ........................................................................................................................... 19
Bài 7 ........................................................................................................................... 25
Bài 8 ........................................................................................................................... 27
Bài 10 ......................................................................................................................... 31
Bài 11 ......................................................................................................................... 32
Bài 12 ......................................................................................................................... 34
Bài 13 ......................................................................................................................... 35
Bài 14 ......................................................................................................................... 36
Bài 15 ......................................................................................................................... 39
Bài 16 ......................................................................................................................... 40
Bài 17 ......................................................................................................................... 41
Bài 18 ......................................................................................................................... 42
Bài 19 ......................................................................................................................... 45
Bài 20 ......................................................................................................................... 48
Chuyên đề 21: Entropy và năng lượng tự do ................................................................. 51

Bài 1 ........................................................................................................................... 51
Bài 2 ........................................................................................................................... 53
Bài 3 ........................................................................................................................... 55
Bài 4 ........................................................................................................................... 59
Bài 5 ........................................................................................................................... 61
Bài 6 ........................................................................................................................... 63
Bài 7 ........................................................................................................................... 66
Bài 8 ........................................................................................................................... 68
Bài 9 ........................................................................................................................... 71
Bài 10 ......................................................................................................................... 72
Bài 11 ......................................................................................................................... 74
Bài 12 ......................................................................................................................... 78
Bài 13 ......................................................................................................................... 83
Bài 14 ......................................................................................................................... 87
Bài 15 ......................................................................................................................... 90
Bài 16 ......................................................................................................................... 94
Chuyên đề 22: Giản đồ phase ......................................................................................... 97
Bài 1 ........................................................................................................................... 97
Bài 2 ........................................................................................................................... 98
Bài 3 ......................................................................................................................... 101
Bài 4 ......................................................................................................................... 103
Bài 5 ......................................................................................................................... 106
Bài 6 ......................................................................................................................... 110

2 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 7 ......................................................................................................................... 112
Bài 8 ......................................................................................................................... 115
Bài 9 ......................................................................................................................... 118

Chuyên đề 23: Cân bằng hóa học.................................................................................. 122
Bài 1 ......................................................................................................................... 122
Bài 2 ......................................................................................................................... 123
Bài 3 ......................................................................................................................... 124
Bài 4 ......................................................................................................................... 125
Bài 5 ......................................................................................................................... 126
Bài 6 ......................................................................................................................... 129
Bài 7 ......................................................................................................................... 134
Bài 8 ......................................................................................................................... 137
Bài 9 ......................................................................................................................... 139
Bài 10 ....................................................................................................................... 141
Bài 11 ....................................................................................................................... 143
Bài 12 ....................................................................................................................... 144
Bài 13 ....................................................................................................................... 146
Bài 14 ....................................................................................................................... 149
Bài 15 ....................................................................................................................... 150
Bài 16 ....................................................................................................................... 152
Bài 17 ....................................................................................................................... 154
Bài 18 ....................................................................................................................... 156
Bài 19 ....................................................................................................................... 158
Bài 20 ....................................................................................................................... 162
Bài 21 ....................................................................................................................... 164
Bài 22 ....................................................................................................................... 165
Bài 23 ....................................................................................................................... 166
Bài 24 ....................................................................................................................... 168
Bài 25 ....................................................................................................................... 170
Bài 26 ....................................................................................................................... 173
Bài 27 ....................................................................................................................... 176
Bài 28 ....................................................................................................................... 180
Bài 29 ....................................................................................................................... 182

Bài 30 ....................................................................................................................... 185
Bài 31 ....................................................................................................................... 187
Bài 32 ....................................................................................................................... 191
Bài 33 ....................................................................................................................... 197
Chuyên đề 24: Tốc độ phản ứng ................................................................................... 201
Bài 1 ......................................................................................................................... 201
Bài 2 ......................................................................................................................... 202
Bài 3 ......................................................................................................................... 204
Bài 4 ......................................................................................................................... 206
Bài 5 ......................................................................................................................... 208
Bài 6 ......................................................................................................................... 209
Bài 7 ......................................................................................................................... 211
Bài 8 ......................................................................................................................... 213

3 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 9 ......................................................................................................................... 215
Bài 10 ....................................................................................................................... 216
Bài 11 ....................................................................................................................... 218
Bài 12 ....................................................................................................................... 220
Bài 13 ....................................................................................................................... 223
Bài 14 ....................................................................................................................... 229
Bài 15 ....................................................................................................................... 233
Bài 16 ....................................................................................................................... 235
Bài 17 ....................................................................................................................... 240
Bài 18 ....................................................................................................................... 244
Bài 19 ....................................................................................................................... 247
Bài 20 ....................................................................................................................... 249
Bài 21 ....................................................................................................................... 256

Bài 22 ....................................................................................................................... 260
Bài 23 ....................................................................................................................... 263
Bài 24 ....................................................................................................................... 265
Bài 25 ....................................................................................................................... 268
Bài 26 ....................................................................................................................... 271
Bài 27 ....................................................................................................................... 274
Bài 28 ....................................................................................................................... 277
Bài 29 ....................................................................................................................... 280
Chuyên đề 25: Trạng thái dừng và cơ chế phản ứng .................................................... 283
Bài 1 ......................................................................................................................... 283
Bài 2 ......................................................................................................................... 285
Bài 3 ......................................................................................................................... 286
Bài 4 ......................................................................................................................... 287
Bài 5 ......................................................................................................................... 288
Bài 6 ......................................................................................................................... 290
Bài 7 ......................................................................................................................... 292
Bài 9 ......................................................................................................................... 297
Bài 10 ....................................................................................................................... 298
Bài 11 ....................................................................................................................... 301
Bài 12 ....................................................................................................................... 305
Bài 13 ....................................................................................................................... 308
Bài 14 ....................................................................................................................... 310
Bài 15 ....................................................................................................................... 312
Bài 16 ....................................................................................................................... 314
Bài 17 ....................................................................................................................... 316
Bài 18 ....................................................................................................................... 319
Bài 19 ....................................................................................................................... 322
Bài 20 ....................................................................................................................... 325
Bài 21 ....................................................................................................................... 328
Bài 22 ....................................................................................................................... 331

Bài 23 ....................................................................................................................... 334
Bài 24 ....................................................................................................................... 337
Bài 25 ....................................................................................................................... 341

4 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 26 ....................................................................................................................... 344
Chuyên đề 26: Năng lượng hoạt hóa và ảnh hưởng của nhiệt độ ............................... 351
Bài 1 ......................................................................................................................... 351
Bài 2 ......................................................................................................................... 352
Bài 3 ......................................................................................................................... 353
Bài 4 ......................................................................................................................... 357
Bài 5 ......................................................................................................................... 360
Bài 6 ......................................................................................................................... 362
Bài 7 ......................................................................................................................... 370
Chuyên đề 27: Xúc tác - Enzyme ................................................................................... 375
Bài 1 ......................................................................................................................... 375
Bài 2 ......................................................................................................................... 377
Bài 3 ......................................................................................................................... 380
Bài 4 ......................................................................................................................... 381
Bài 5 ......................................................................................................................... 386
Bài 6 ......................................................................................................................... 388
Bài 7 ......................................................................................................................... 393
Bài 8 ......................................................................................................................... 394
Bài 9 ......................................................................................................................... 396
Bài 10 ....................................................................................................................... 398

5 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

Chuyên đề 20: Nguyên lí thứ nhất và enthalpy
Bài 1
Một bộ phim khoa học viễn tưởng về hành tinh Hạnh Phúc kể rằng cư dân
trên hành tinh này dùng thang nhiệt độ oN tương tự như thang oC của
chúng ta. Trong thang oN, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của H2 (chất
hiện diện nhiều nhất trên hành tinh này) lần lượt được chọn là 0oN và
100oN. Cư dân trên hành tinh đó cũng biết về tính chất của các khí lý
tưởng và họ thấy rằng với cùng n mol khí cho trước thì giá trị P.V là 28
atm dm3 ở 0oN và 40 atm.dm3 ở 100oN. Hãy cho biết 0oK trên thang nhiệt
độ tuyệt đối của chúng ta tương ứng với bao nhiêu oN trên thang nhiệt
độ của cư dân hành tinh đó.
Hướng dẫn
Vì cư dân trên hành tinh Hạnh Phúc cũng biết về các phương trình khí lý
tưởng, chúng ta giả thiết rằng họ cũng viết phương trình PV = nRT ở cả
hai nhiệt độ 0oN và 100oN. Từ đó tương tự phương trình đổi từ oC sang
độ K (K = oC + 273), ta có phương trình đổi từ oN sang oK như sau:
K = T1 + 0oN

(1)

Trong đó T1 là số hạng chuyển đổi.
Theo đề bài ta có:
-

Tại Ta = 0oN
PaVa = 28 atm.dm3 = nR(T1 + 0oN) = n.8,314(T1 +
o
0 N)
(2)

-

Tại Tb = 100oN
100oN) (3)

PaVa = 40 atm.dm3 = nR(T1 + 100oN) = n.8,314(T1 +

Từ (2) và (3) ta có T1 = 233,33. Do đó theo (1) 0K tương ứng với 0 – 233,33
= -233,33oN
Vậy 0oK trên thang nhiệt độ tuyệt đối của chúng ta tương ứng với 233,33oN trên thang nhiệt độ của cư dân hành tinh Hạnh Phúc.

6 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 2
1. Phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = nRT thường chỉ phù hợp để
tính tốn trạng thái của các khí thực ở áp suất thấp hoặc nhiệt độ cao (lúc
này khí thực có tính chất gần với khí lý tưởng). Để tính tốn chính xác hơn,
van der Waals đưa ra phương trình trạng thái khí thực như sau: [Pđo + a
2

n
  ](V – nb) = nRT.
V
2

n
a) Giải thích ý nghĩa của hai số hạng hiệu chỉnh cho áp suất a   và thể
V

tích (nb) trong phương trình van der Waals trên.

b) Cho 25g khí Ar trong một bình có thể tích 1,5 dm3 ở 30oC. Áp suất khí
bằng bao nhiêu nếu coi Ar là khí lý tưởng? Nếu coi Ar là khí thực?
Cho biết: Hằng số van der Waals của Ar: a = 1,337 dm6.atm.mol-2; b =
3,20.10-2 dm3.mol-1
2. Một mẫu chỉ chứa 2,0 mol CO2 chiếm một thể tích cố định 15,0 dm3 ở
300K. Khi cung cấp cho mẫu 2,35 kJ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ
của mẫu tăng lên thành 341K. Giả thiết rằng CO2 là khí van der Waals (khí
thực), hãy tính các giá trị A, ∆U, ∆H cho quá trình này. Cho biết hằng số
van der Waals b của CO2 là 4,3.10-2 dm3.mol-1.
Hướng dẫn
1.
a)

Ý nghĩa của hai số hạng hiệu chỉnh:

-

Vì bản thân các phân tử khí thực cũng chiếm một phần thể tích
(khác với giả thiết về khí lý tưởng coi mỗi phân tử khí là một chất
điểm khơng có thể tích) nên phần khơng gian tự do của các phân
tử khí thực chuyển động được trên thực tế là V – nb. Ở đây nb là
thể tích riêng phần của n mol phân tử khí. Do đó áp suất (trên lý
nRT
thuyết) các khí tác dụng lên thành bình là: P' =
V − nb

-

Tuy nhiên trên thực tế giữa các khí thực có lực hấp dẫn (lực hút
van der Waals). Hệ quả là áp suất các phân tử khí tác dụng lên
thành bình (cũng là giá trị đo được) Pđo nhỏ hơn P’. Vì thế số hạng

7 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


2

n
a   được gọi là áp suất nội của n mol khí thực (cũng đặc trưng
V
cho mức độ tương tác hấp dẫn giữa các phân tử khí thực).

b)

Phương trình khí lý tưởng có dạng PV = nRT, từ đó P = nRT/V

Số mol của khí n = 25/35,95 = 0,626 (mol)
Vậy nếu coi Ar là khí lý tưởng P = 0,626.0,082.(30+273)/1,5 = 10,37 (atm).
Nếu Ar là khí thực:
Từ phương trình van der Waals ta có:
2

2

Pđo =

nRT
 0,626 

 n  0,626.0.082(30 + 273)
− a  =
− 1,337 
 = 10,28atm
−2
V − nb  V  1,5 − 0,626.3,20.10
 1,5 

2.
Do quá trình cung cấp nhiệt ở điều kiện đẳng tích nên A = 0
(vì A = -PdV, dV = 0)
Trong điều kiện đẳng tích thì Q = ∆U = 2,35 kJ.
Do H = U + PV nên ∆H = ∆U + P∆V + V∆P,
trong điều kiện đẳng tích ∆V = 0 dẫn đến
∆H = ∆U + V∆P.
Từ phương trình van der Waals ta có:
Pđo =

RT
a
− 2
Vm − b Vm

Với Vm = V/n. Từ đó
∆Pđo =

RT
RVT
→ H = U +
Vm − b

Vm − b

Từ các dữ kiện đầu bài, ta có:
Vm = 15/2 = 7,5 (dm3.mol-1); ∆T=341 – 300=41K;
Vm – b=7,5 – 4,3.10-2 = 7,46 (dm3.mol-1)
RVT 8,314.15,41
=
= 685(J) = 0,685kJ
Vm − b
7,46
8 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

(*)


Thay các số liệu có được vào phương trình (*) ta có:
∆H = 2,35 + 0,685 = 3,035 kJ

9 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 3
Lực tác dụng của một khí lên thành bình chứa nó bắt nguồn từ sự va chạm
của các tiểu phân khí lên bề mặt. Đối với một va chạm thì độ lớn của xung
va chạm ảnh hưởng lên thành bình bằng với sự biến đổi momen động
lượng trên bề mặt, mDv. Lúc này lực tác dụng lên bề mặt sẽ được tăng
lên, nhân với tốc độ mà ở đó tiểu phân khí đạt được khi đập vào bề mặt.
Do chuyển động của tiểu phân khí là ngẫu nhiên nên số va chạm trong
một đơn vị thời gian là hằng số của chất khí đó trong nhiệt độ khơng đổi.
Nhiệt độ của khí phản ảnh sự phân bổ vận tốc khí. Đối với một khí cho

trước thì tốc độ của tiểu phân có thể cao hơn mức trung bình ở nhiệt độ
cao hơn.
a) Dựa vào các thông tin trên, và cho rằng chất khí là khơng có vận tốc đầu
ở nhiệt độ phịng và áp suất khí quyển. Hãy xét xem các yếu tố sau đây
ảnh hưởng như thế nào đến áp suất của hệ. Áp suất sẽ tăng gấp đơi, giảm
một nửa, tăng ít, giảm ít hay khơng thay đổi ?
i) Tăng gấp đơi số phân tử khí.
ii) Tăng gấp đơi thể tích bình chứa khí.
iii) Tăng gấp đơi khối lượng tiểu phân khí (cho rằng vận tốc
tiểu phân vẫn khơng thay đổi).
iv) Tăng nhiệt độ lên 10°C.
Mơ hình khí lý tưởng cho rằng khơng tồn tại tương tác giữa các phân tử
khí. Tuy nhiên giữa các tiểu phân khí thực thì có nhiều loại tương tác như
tương tác lưỡng cực - lưỡng cực. tương tác lưỡng cực cảm ứng và tương
tácvan der Waals (tương tác giữa các lưỡng cực cảm ứng). Đường cong
ở hình bên chỉ ra thế năng tương tác giữa các phân tử khí:

10 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Lực tương tác giữa hai tiểu phân khí ở một hệ số phân chia r xác định có
thể được tính từ gradient của đường cong năng lượng, có nghĩa F = –dV
/ dr.
b) Ở 4 điểm A, B, C và D trên hình vẽ thể hiện loại lực nào? (hút / đẩy /
xấp xỉ zero)
Sự sai lệch khỏi mơ hình khí lý tưởng của một khí thường được xác định
định lượng theo biểu thức tính hằng số nén, Z.
Z=

Vm

Vm0
0

Với Vm là thể tích mol của khí thực và Vm là thể tích mol của khí lý tưởng
trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất… với khí thực.
Hướng dẫn
a) i) Áp suất tăng gấp đôi
iii) Áp suất tăng gấp đôi

ii) Áp suất giảm một nửa
iv) Áp suất sẽ tăng một ít

b) A – xấp xỉ zero

B – hút

C – xấp xỉ zero

D – đẩy

c) Z = 1: khơng có lực liên phân tử, khí xử sự lý tưởng
Z < 1: Lực hút ưu thế

Z > 1: Lực đẩy ưu thế

d)

11 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

12 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 4
Như một nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học, công thực hiện được
bởi một máy định kỳ sẽ nhỏ hơn lượng nhiệt được chuyển hóa vào cơng
việc đó. Chúng ta hãy quan sát một chu trình nhiệt động lực học của máy,
chứa 3.0 mol. Chu trình gồm bốn bước như sau:
A→B: giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch từ pA, VA (30.0 L) đến pB (1.70
bar),VB ở 800°C
B→C: làm lạnh đẳng tích xuống 235°C
C→D: nén đẳng nhiệt thuận nghịch VA
D→A: nung nóng đẳng tích
1) Tính hiệu suất của máy.
2) Tính giá trị p và V tại các điểm A, B, C, and D, và phác thảo chu trình
nhiệt động này bằng cách sử dụng giản đồ p-V (cần tính tốn dạng của
đường cong hyperbol). Đánh dấu phần hình học bằng cách tô đen,
tương ứng với phần làm việc của hệ thống.

3) Tính cơng của q trình giãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch ở 800°C và
lượng nhiệt thoát ra ngoài của máy.
Giả định rằng, bắt đầu từ điểm A, máy giãnnở đoạn nhiệt thuận nghịch
đến VB.

13 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


4) Tính nhiệt độ và áp suất cuối cùng của q trình giãn nở đoạn nhiệt
trên.
Hướng dẫn

1) Tính hiệu suất của máy.
ε=

Thot −Tcold
Thot

=

1073−508
1073

= 0.527

2)
A:

VA = 30.0 L

⇒

pA =

B:

pB = 1.70 bar ⇒

VB =

C:

VC = 157 L

⇒

pC =

D:

VD = 30.0 L

⇒

pD =

nRThot
VA
nRThot
pB

=

nRTcold
VC
nRTcold
VD

3∙8.314∙1073

=

30∙10−3
3∙8.314∙1073

=
=

1.7∙10−5
3∙8.314∙508
157∙10−3
3∙8.314∙508

Diện tích bị tơ đen = |w|
3)
30

w = 3RThot ln 157 = −44.3 kJ
30

w = 3RTcold ln 157 = −21.0 kJ

14 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

30∙10−3

= 8.92 bar
= 157 L
= 0.807 bar
= 4.22 bar

4)
CP
CV

CP
CV

p1 ∙ V1 = p2 ∙ V2

CP

và

CV

5

p2 = p1 ∙
pV

V (3)
(VA )
B

T2 = nR =

=

5R
2

2

5

∙ 3R = 3

5

= 8.92 ∙

56500∙157∙10−3
3.8.314

30 3
(157)

= 0.565 bar

= 356 K

15 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Bài 5
Một bình kín thể tích V1 = 10.00 L với thành trong làm bằng chất dẻo chứa
đầy nước ở nhiệt độ T0 = 273.16 K. Áp suất bên ngoài là 1.000 bar. Với
bình này tiến hành một số thử nghiệm sau.
Bước 1. Cho nước đóng băng nhưng nhiệt độ khơng đổi. Lúc này thể tích
bình tăng lên.

Bước 2. Hạ áp suất ngồi xuống cịn 0.900 bar. Lúc này băng tan và nước
được đun nóng đến khi sơi và bốc hơi hồn tồn được thể tích hơi V2.
Bước 3. Hơi nước được nén đoạn nhiệt cho đến khi đạt thể tích V3 = 10.00
m 3.
Bước 4. Cuối cùng tiếp tục nén thuận nghịch đẳng nhiệt hơi nước đến khi
đạt thể tích V4 = 5.00 m3.
Điền các giá trị cịn thiếu vào bảng dưới. Cho rằng giá trị nhiệt giãn nở
mang giá trị âm.

Bước
1.

Nhiệt độ T, K

Thể tích V, m3

273.16

0.01000

Nhiệt giãn nở w, J

Bước
2.
Bước
3.
Bước
4.

10.00

456.21

5.00

Khối lượng riêng của nước và băng ở 0 °С lần lượt là 0.9987 g/cm3 và 0.917
g/cm3. Nước sơi ở 100.00°C (khi áp suất ngồi là 101325 Pa). Nhiệt hóa
hơi của nước là 40.655 kJ/mol. Giá trị nhiệt dung riêng của nước là χ =
.329 (χ = Cp/CV).
Các phương trình liên quan
Phương trình Clausius-Clapeyron: ln

P1 H  1 1 
=
 − ,
P2 R  T2 T1 

16 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Các phương trình nhiệt giãn nở

nR(T'− T)
,
 −1

w=

w = −p(V'− V) ,

w = −nRTln

V'
,
V

T'  V 
Phương trình nén đoạn nhiệt: =  
T  V' 

( −1)

.

Hướng dẫn
Bảng
Nhiệt độ T, K

Thể tích V, m3

Nhiệt giãn nở w, J

Bước
1.

273.16

0.01000

−89.1

Bước
2.

369.81

18.9

−1.704·106

Bước
3.

456.21

10.00

1.21·106

Bước
4.

456.21

5.00

1.457·106

Tính tốn

10.00 dm3  0.9987 g/dm3

n=
= 554.2 mol
18.02 g/mol
1.

d

1m3
 0.9987 
w = −p ( V2 − V1 ) = −pV1  1 − 1  = −1.000  105 Pa  10.00 dm3 

− 1  = −89.1 J
1000 dm3  0.917

 d2


.
2.

1
R p1 1 8.3145 1.01325
1
=
ln + =
ln
+
= 0.0027041 K −1 ,
T2 H p2 T1 40655
0.900 273.15

T2 = 369.81 K .

17 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


V2 =

nRT2 554.2 mol  8.3145 J/(mol  K)  369.81K
=
= 18.93m3  18.9 m3
5
p2
0.900  10 Pa

w = −p ( V2 − V1 )  −pV2 = −nRT = −554.2 mol  8.3145 J/(mol  K)  369.81K = −1.704  106 J .

V 
3. T3 = T2  2 
 V1 
w=

( −1)

 18.93 
= 369.81 K  

 10.00 

(1.329 −1)

= 456.21 K .

nR(T3 − T2 ) 554.2 mol  8.3145 J/(K  mol)  (456.21K − 369.81K)
=
= 1.21  106 J
 −1
1.329 − 1

4. w = −nRT3 ln V4 = 554.2 mol  8.3145 J/(mol  K)  456.21K  ln 5.00  = 1.457  106 J
V3

18 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

 10.00 


Bài 6
Việc lựa chọn chất
làm lạnh cho các hệ
thống điều hịa
khơng khí và máy
lạnh đã thu hút được
nhiều sự quan tâm
của giới khoa học và
công nghệ suốt thế kỉ
qua. Trong thời kì
này, các chất làm
lạnh đã tiến hóa qua
4 thế hệ. Ammonia,

có thể xem là thế hệ
đầu tiên, đã được sử
dụng trong hầu hết
các thiết bị làm lạnh xưa cũ nhất. Sau đó, nó được thay thế bởi các
chlorofluorocarbons (CFCs) - là dẫn xuất của methane, ethane với các
nguyên tử hydrogen bị thay thế bởi fluorine và chlorine.
Điều hịa khơng khí gia dụng đầu tiên của Soviet, BK-1500, đã được sản
xuất hàng loạt tại nhà máy "Bakkonditsioner" ở Baku, Azerbaijan. Loại
điều hòa này sử dụng chlorodifluoromethane CHF2Cl - một chất làm lạnh
thuộc thế hệ thứ hai. Trong bài tập này, chúng ta sẽ so sánh các loại chất
làm lạnh khác nhau trên quan điểm nhiệt động học.

Chất làm lạnh

Thế hệ

NH3

ΔHvap / kJ·mol–1 CV(gas) /
(ở 280 K)

J·K–1·mol–1

1

21.3

26.7

CHF2Cl

2

20.0

48.8

CF3CH2F

3

22.1

79

CF3CF=CH2

4

19.1

120

Tính chất nhiệt động của các chất làm lạnh khác nhau:

19 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Xét một chu trình làm lạnh hiện đại gồm 4 giai đoạn được biểu diễn trong
đồ thị áp suất (p) – nội năng (U) dưới đây:

p
p2

3
liquid

p1

2 (T2)
liquid + gas
gas

1 (T1)

0 (T1)

U
Giản đồ 1. Đường nét đứt xác định các biên phase.
Trong giai đoạn đầu tiên của chu trình (đường 0-1 trong giản đồ 1), một
chất làm lạnh lỏng hóa hơi ở nhiệt độ T1 (nhiệt độ sôi) và áp suất khơng
đổi p1 cho đến khi bay hơi hồn tồn. Ở giai đoạn này, thiết bị làm lạnh
hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Ở giai đoạn thứ hai, chất làm
lạnh trải qua quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch và làm nóng lên nhiệt
độ T2 (đường 1-2). Sau đó, chất làm lạnh bị nén được hạ nhiệt trong bộ
ngưng tụ ở áp suất không đổi p2 (đường 2-3) rồi sau đó quay trở lại trạng
thái ban đầu (đường 3-0).
Xét chu trình với 1 mol chất làm lạnh, ban đầu (điểm 0) ở trạng thái lỏng
hoàn toàn, T1 = 280 K, T2 = 380 K, giả sử rằng hơi của bất kì chất làm lạnh
nào cũng có tính chất khí lí tưởng. Những đặc trưng nhiệt động học của

các chất làm lạnh được liệt kê trong bảng trên.
1.
1.1)

1.2)

Với mỗi chất làm lạnh, ammoni và chlorodifluoromethane, hãy
tính nhiệt lượng Q được hấp thụ bởi thiết bị làm lạnh trung quá
trình trao đổi nhiệt (đường 0-1) và công W cần để nén đoạn nhiệt
hơi của nó (đường 1-2).
Những đại lượng nào sau đây vẫn không thay đổi trong giai đoạn
nén đoạn nhiệt?
U

H

S

G

20 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

V


Để so sánh hiệu quả năng lượng của các chu trình máy lạnh với thơng số
và chất làm lạnh khác nhau, có thể sử dụng hệ số hiệu suất (COP coefficient of performance), được định nghĩa là tỉ lệ của nhiệt bị loại khỏi
Q
hệ thống làm lạnh với công của máy nén: COP =
W

1.3)

Tính giá trị COP trong các chu trình của ammonia và
chlorodifluoromethane

2.
2.1)

Tại sao ammonia lại bị thay thế bởi các CFC trong thiết bị làm lạnh
gia dụng?
a) Để tăng hiệu quả năng lượng của các chu trình làm lạnh.
b) Do khối lượng riêng của ammonia nhỏ hơn của khơng khí trong
cùng điều kiện.
c) Vì các lý do an tồn cho người dùng.

Việc tìm kiếm chất làm lạnh thay thế các CFC bắt đầu khi các nhà khoa học
phát hiện ra rằng việc sử dụng chúng có thể gây ra sự phá hủy khủng
khiếp, không thể phục hồi của tầng ozone bảo vệ trong khí quyển. Vậy là
tới lượt những chất làm lạnh thế hệ thứ ba, thân thiện với ozone, bước
lên sân khấu. Đại diện tiêu biểu của thế hệ này là các fluoroalkane.
2.2) Nguyên nhân nào gây ra sự phá hủy tầng ozone bởi các CFC?
a) Phân tử ozone dễ cộng vào liên kết C-F.
b) Liên kết C-F dễ bị phá hủy bởi các bức xạ, dẫn tới sự hình thành
các gốc tự do.
c) Phân tử ozone dễ cộng vào liên kết C-Cl.
d) Liên kết C-F dễ bị phá hủy bởi các bức xạ, dẫn tới sự hình thành
các gốc tự do.
Tuy nhiên, theo Nghị định thư Kyoto 1997, các fluoroalkane cũng phải bị
thay thế bởi chúng bị tích tụ trong khí quyển và hấp thụ nhanh các bức xạ
hồng ngoại, gây ra sự tăng nhiệt độ khí quyển (hiệu ứng nhà kính). Sau

đó, các chất làm lạnh thế hệ thứ tư, như 2,3,3,3-tetrafluoropropene
CF3CF=CH2, đã được đề xuất và đưa vào sử dụng.
2.3)

Tại sao hợp chất này tác động đến hiệu ứng nhà kính ít hơn các
fluoroalkane?
a) Nó có hoạt tính cao hơn và dễ phân hủy.
b) Nó dễ phản ứng với ozone.
c) Nó tan tốt hơn trong nước.

21 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


3. Tính các giá trị của COP trong chu trình làm lạnh được xét đến ở trên
của hai chất làm lạnh thế hệ thứ ba và thứ tư – CH3CH2F và CF3CF=CH2.
So với CHF2Cl thì hiệu quả năng lượng có được cải thiện không?
Không như các thiết bị gia dụng, các hệ thống làm lạnh công nghiệp hiện
vẫn thường sử dụng ammonia. Nó khơng gây ra hiệu ứng nhà kính, cũng
không phá hủy tầng ozone. Các thiết bị công nghiệp có thể có kích thước
rất lớn và chi phí cao. Trước khi xây dựng, chúng được mơ hình hóa cẩn
thận để tính tốn nhiều yếu tố khác nhau. Trong các hệ thực tế, một số
phần của chất làm lạnh ở thời điểm bắt đầu q trình trao đổi nhiệt với
mơi trường ở phase hơi (điểm 0 trong giản đồ dưới đây), và khi kết thúc
(điểm 1) ln được đun nóng vượt quá điểm sôi.

p
3 (T3)

p2
liquid

p1

liquid +
gas

0 (T0)

2 (T2)
gas

1 (T1)

U
Giản đồ 2. Đường nét đứt xác định các biên phase.
Xét một chu trình với 1 mol ammonia. Các tính chất nhiệt động được cho
sau đây: enthalpy hóa hơi ΔHvap = 23.35 kJ·mol–1 ở Tvap = 239.8 К (nhiệt độ
sôi ở áp suất 1 bar). Nhiệt dung của phase lỏng CV(liq) = 77 J·K–1·mol–1, của
phase khí CV(gas) = 26.7 J·K–1·mol–1. Giả sử rằng nhiệt dung không phụ thuộc
vào nhiệt độ và hơi có tính chất như khí lí tưởng.
Áp suất hơi bão hịa của ammonia phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương
trình kinh nghiệm sau:
log (p/bar) = 4.87 – 1114 / (T/K – 10.4).
Trong giai đoạn đầu tiên của chu trình (đường 0-1 trên giản đồ 2), hỗn
hợp cân bằng của chất lỏng và hơi của nó nhận nhiệt từ mơi trường ở áp
suất không đổi p1 = 3.0 bar. Chất làm lạnh hóa hơi hồn tồn và được đun
nóng tới nhiệt độ T1 = 275 K. Trong thời điểm bắt đầu của q trình (điểm
0), phần mol của ammonia khí là x = 0.13.

22 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM

4.1)

Tính nhiệt độ đầu của chất làm lạnh T0, biến thiên thể tích của nó
ΔV và lượng nhiệt Q bị hấp thụ bởi chất làm lạnh trong quá trình
này. Chú ý rằng sự phụ thuộc vào nhiệt độ của ΔHvap là khơng thể
bỏ qua.

Sau đó chất làm lạnh bị nén đoạn nhiệt thuận nghịch. Nó bị đun nóng tới
nhiệt độ T2 = 393 K (đường 1-2).
4.2)

Xác định công W cần cho q trình nén và COP của hệ. Nếu khơng
thể tính được Q ở ý 4.1, hãy sử dụng giá trị Q = 20.15 kJ.

Ở giai đoạn tiếp theo, tương ứng với đường 2-3 trên giản đồ, chất làm
lạnh bị nén được hạ nhiệt trong bộ ngưng tụ ở áp suất khơng đổi. Sau đó,
nó chuyển trở lại trạng thái đầu qua sự giãn nở đoạn nhiệt với công bằng
0 (đường 3-0).
4.3)

Xác định nhiệt độ T3 ở điểm 3 mà chất làm lạnh được hạ nhiệt
trong bộ ngưng tụ.

Trong quá trình sản xuất các thiết bị làm lạnh, cần chú ý đến yếu tố khí
hậu. Nếu một bộ ngưng tụ được làm lạnh bởi khơng khí khí quyển, nhiệt
độ T3 tăng khi nhiệt độ khơng khí tăng.
4.4)

Giá trị COP sẽ thay đổi thế nào nếu T3 tăng trong khi T0, T1, T2 vẫn
giữ nguyên?
a) Tăng
b) Giữ nguyên
c) Giảm

Hướng dẫn
1)
1.1)

Ammonia

Q = νΔHvap = 21.3 kJ;
W = νCV(gas)(T2 – T1) = 2.67 kJ.
Chlorodifluoromethane
Q = νΔHvap = 20.0 kJ;
W = νCV(gas)(T2 – T1) = 4.88 kJ.
1.2)
1.3)

S

23 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM


Ammonia: COP = Q/W = 7.98
Chlorodifluoromethane: COP = Q/W = 4.10
2)
2.1)
2.2)

2.3)

c) Vì các lý do an tồn cho người dùng.
d) Liên kết C-F dễ bị phá hủy bởi các bức xạ, dẫn tới sự hình thành
các gốc tự do.
a) Nó có hoạt tính cao hơn và dễ phân hủy.

3)
CF3CH2F: COP = ΔHvap / (CV(gas)(T2 – T1)) = 2.80, hiệu quả hơn.
CF3CF=CH2: COP = ΔHvap / (CV(gas)(T2 – T1))= 1.59, hiệu quả hơn.
4)
4.1)

T0 = 10.4 + 1114 / (4.87 – log p1) = 264 K

ΔV = (νRT1 / p1) – (xνRT0 / p1) = 6.7 L
Q = ΔH = ΔU+ p1ΔV=ΔU(phần lỏng)+ ΔU(phần khí) + p1ΔV =
= ΔU(sự hóa hơi của phần lỏng ở T0) +ΔU(đun nóng phần chất lỏng bị hóa
hơi đến T1) +
+ ΔU(phần khí) + p1ΔV = ν (1–x)(ΔHvap – RTvap + (CV(gas)–CV(liq))(T0–Tvap)) +
νCV(gas) (T1–T0) + p1ΔV = 19.8 kJ
Hoặc
Q = ν (1–x)(ΔHvap + (CV(gas)+R–CV(liq))(T0–Tvap)) + ν(CV(gas)+R)(T1–T0) = 19.8 kJ
4.2)
W = νCV(gas) (T2– T1) = 3.15 kJ
COP = Q/W = 6.3
4.3)
Nội năng của chất làm lạnh ở các điểm 0 và 3 bằng nhau. Do đó:
x·(ΔHvap – RTvap + (CV(gas) – CV(liq))(T0– Tvap)) + CV(liq) (T0– T3) = 0,
T3 = 298 К.

4.4)

c) Giảm

24 | Bản quyền thuộc về Tạp chí Olympiad Hóa học KEM