Bài toán về năng lượng hóa học, đốt cháy nhiên liệu (cách giải + bài tập)

Chuyên đề phương pháp giải bài tập Bài toán về năng lượng hóa học, đốt cháy nhiên liệu lớp 11 chương trình sách mới hay, chi tiết với bài tập tự luyện đa dạng giúp học sinh ôn tập, biết cách làm bài tập Bài toán về năng lượng hóa học, đốt cháy nhiên liệu.

Bài toán về năng lượng hóa học, đốt cháy nhiên liệu (cách giải + bài tập)

A. Lý thuyết và phương pháp giải

- Tính biến thiên enthalpy của phản ứng:

+ Theo nhiệt tạo thành (enthalpy tạo thành):

Enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất bền vững bằng 0.

+ Theo năng lượng liên kết:

- Lưu ý:

+ Nhiệt lượng (Q) tỏa ra khi đốt cháy một chất:

Q_tỏa = (số mol) × (lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy 1 mol chất).

+ Nhiên liệu thường là hỗn hợp các chất nên lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu bằng tổng lượng nhiệt đốt cháy các chất thành phần:

Q_tổng = Q₁ + Q₂ + ….

+ Các quá trình sử dụng nhiệt thường bị thất thoát nhiệt ra môi trường nên hiệu suất sử dụng nhiệt nhỏ hơn 100%.

+ Nhiệt lượng vật tỏa ra hoặc thu vào: Q = m.C.Δt. Trong đó:

♦ m: Khối lượng chất (với dung dịch loãng coi khối lượng riêng là khối lượng riêng của nước: 1g/ml)

♦ C: Nhiệt dung riêng (năng lượng cần để đưa 1 gam chất tăng lên 1^oC).

Với dung dịch loãng coi nhiệt dung của dung dịch là nhiệt dung của nước: C = 4,2 J/g.K

♦ Δt: là độ biến thiên nhiệt độ (|t₂ – t₁|).

B. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1: Tính nhiệt tạo thành chuẩn của methane và propane. Biết nhiệt cháy chuẩn của methane và propane lần lượt bằng - 890 kJ/mol và - 2216 kJ/mol; nhiệt tạo thành chuẩn của CO₂(g) và H₂O(l) lần lượt là -393,5 kJ/mol và - 285,8 kJ/mol. Biết rằng nhiệt cháy chuẩn của một chất là biến thiên enthalpy của phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó bằng oxygen ở điều kiện chuẩn.

Hướng dẫn giải

Nhiệt cháy của methane là biến thiên enthalpy của phản ứng:

CH₄ (g) + 2O₂ (g) → CO₂ (g) + 2H₂O (l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-890kJ$

$\Rightarrow$${\Delta }_r{H}_{298}^o={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{O}_2\right)+2{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(H_{2}O\right)-{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{H}_4\right)-2{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right)$= -890 kJ

$\Rightarrow$${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{H}_4\right)$= 1.(-393,5) +2 (-285,8) + 890 = - 75,1 (kJ/mol) (${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right)$= 0)

Nhiệt cháy của propane là biến thiên enthalpy của phản ứng:

C₃H₈ (g) + 5O₂ (g) → 3CO₂ (g) + 4H₂O (l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-2216kJ$

$\Rightarrow$${\Delta }_r{H}_{298}^o={\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{O}_2\right)+2{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(H_{2}O\right)-{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C{H}_4\right)-2{\Delta }_f{H}_{298}^o\left(O_2\right)$= -2216 kJ

$\Rightarrow$${\Delta }_f{H}_{298}^o\left(C_3{H}_8\right)$= 3.(-393,5) + 4.( -285,8) + 2216 = - 107,7 (kJ/mol).

Ví dụ 2: Gas, nhiên liệu phổ biến hiện nay có thành phần chính là propane và butane. Nhiệt lượng giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg một loại gas là khoảng 50 400 kJ.

(a) Biết để làm nóng 1 kg nước lên 1 độ thì cần cung cấp nhiệt lượng là 4 200 J. Để đun sôi 30 kg nước từ nhiệt độ 20^oC cần cung cấp bao nhiêu kJ nhiệt?

A. 2520 kJ.

B. 5040 kJ.

C. 10080 kJ.

D. 6048 kJ.

(b) Cần đốt cháy hoàn toàn bao nhiêu kg gas để cung cấp đủ nhiệt lượng trên, biết hiệu suất hấp thụ nhiệt đạt 80%?

A. 0,02 kg.

B. 0,25 kg.

C. 0,16 kg.

D. 0,40 kg.

Hướng dẫn giải

(a) Đáp án đúng là: C

Để đun sôi 30 kg nước từ nhiệt độ 20^oC, cần cung cấp nhiệt lượng là:

$\frac{4200\times 30\times (100-20)}{1000}=10080$kJ.

(b) Đáp án đúng là: B

Số kg gas cần đốt cháy để cung cấp đủ nhiệt lượng trên là:

$m=\frac{10080}{50400}\times \frac{100}{80}=0,25$kg.

C. Bài tập minh hoạ

Câu 1. Cho phản ứng đốt cháy butane sau: C₄H₁₀(g) + O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g) (1)

Biết năng lượng liên kết trong các hợp chất cho trong bảng sau:

Liên kết	Phân tử	Eb (kJ/mol)	Liên kết	Phân tử	Eb (kJ/mol)
C – C	C4H10	346	C = O	CO2	799
C – H	C4H10	418	O – H	H2O	467
O = O	O2	495

Một bình gas chứa 12 kg butane có thể đun sôi số ấm nước là (Giả thiết mỗi ấm nước chứa 2 L nước ở 25^oC, nhiệt dung riêng của nước là 4,2 J/g.K, có 40% nhiệt đốt cháy butane bị thất thoát ra ngoài môi trường)

A. 718.

B. 818.

C. 918.

D. 881.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Xét phản ứng:

C₄H₁₀(g) + $\frac{13}{2}$O₂(g) $\stackrel{t^o}{\to }$ 4CO₂(g) + 5H₂O(g)

Ta có: ${\Delta }_r{H}_{298}^o=$3.E_C-C + 10.E_C-H + 6,5.E_O=O – 4.2.E_C=O – 5.2.E_O-H

= 3.346 + 10.418 + 6,5.495 – 8.799 – 10.467 = - 2626,5 (kJ).

Lại có: $Q=\frac{{12.10}^3.2626,5}{58}=964163,4\left(kJ\right)$

Nhiệt cần đun 1 ấm nước: 2.10³.4,2.(100 – 25) = 630 000 (J) = 630 (kJ).

Số ấm nước: $\frac{964163,4.60\%}{630}=918$ (ấm nước).

Câu 2. Một mẫu khí gas X chứa hỗn hợp propane và butane. Cho các phản ứng:

$C_3{H}_8\left(g\right)+5O_2\left(g\right)\to 3C{O}_2\left(g\right)+4H_{2}O\left(l\right){\Delta }_r{H}_{298}^0=-2220kJ$

$C_4{H}_{10}\left(g\right)+\frac{13}{2}{O}_2\left(g\right)\to 4C{O}_2\left(g\right)+5H_{2}O\left(l\right){\Delta }_r{H}_{298}^0=-2874kJ$

Đốt cháy hoàn toàn 12 gam mẫu khí gas X tỏa ra nhiệt lượng 597,6 kJ. Tỉ lệ số mol của propane và butane trong X là

A. 1 : 2.

B. 2 : 1.

C. 1 : 3.

D. 3 : 1.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

12 gam X tỏa ra lượng nhiệt là: $2220.a+2874.b=597,6kJ$(2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:

$\Rightarrow a:b=1:2.$

Câu 3. Khi đốt cháy 1 mol propane toả ra lượng nhiệt là 2 220 kJ. Để đun nóng 1 gam nước tăng thêm 1 °C cần cung cấp nhiệt lượng là 4,2 J. Khối lượng propane cần dùng để đun 1L nước từ 25 °C lên 100 °C là (Cho biết 75% nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy propane dùng để nâng nhiệt độ của nước. Khối lượng riêng của nước là 1 g/mL)

A. 6,24 gam.

B. 6,24 kg.

C. 8,32 gam.

D. 8,32 kg.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Nhiệt lượng cần cung cấp trên lí thuyết để đun nóng 1 L nước hay 1 000 gam nước từ 25 °C lên 100 °C là: Q = 1 000 × (100 - 25) × 4,2 = 315 000 (J) = 315 (kJ).

Khối lượng propane trên lí thuyết cần là: $m_{C_3{H}_{8}LT}=\frac{44\times 315}{2220}=6,24\left(g\right)$.

Khối lượng propane thực tế cần lấy: $m_{C_3{H}_{8}TT}=\frac{6,24\times 100}{75}=8,32\left(g\right)$.

Câu 4. Khí đốt hóa lỏng (Liquified Petroleum Gas, viết tắt là LPG) hay còn được gọi là gas, là hỗn hợp khí chủ yếu gồm propane (C₃H₈) và butane (C₄H₁₀) đã được hóa lỏng. Một loại gas dân dụng chứa khí hóa lỏng có tỉ lệ mol propane : butane là 40 : 60. Đốt cháy 1 lít khí gas này ở (25^oC, 1 bar) thì tỏa ra nhiệt lượng gần nhất với (Biết khi đốt cháy 1 mol mỗi chất propane và butane tỏa ra lượng nhiệt tương ứng 2220 kJ và 2875 kJ)

A. 105, 317 J.

B. 105, 317 kJ.

C. 105, 317 cal.

D. 105, 317 kcal.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Trong 1 lít gas ta có 0,4 lít propane (tương đương 0,0161 mol) và 0,6 lít butane (tương đương 0,0242 mol). Vậy lượng nhiệt tỏa ra là:

0,0161 . 2220 + 0,0242 . 2875 = 105,317 kJ.

Câu 5. Một mẫu khí gas X chứa hỗn hợp propane và butane. Đốt cháy hoàn toàn 12 gam mẫu khí gas X tỏa ra nhiệt lượng 594 kJ. Biết rằng, khi đốt cháy hoàn toàn, 1 mol propane tỏa ra lượng nhiệt là 2220 kJ và 1 mol butane tỏa ra lượng nhiệt là 2850 kJ. Tỉ lệ số mol của propane và butane trong X là

A. 1 : 2.

B. 2 : 3.

C. 1 : 1.

D. 3 : 2.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Câu 6. Một bình gas (khí hóa lỏng) chứa hỗn hợp propane và butane với tỉ lệ mol 1 : 2. Cho biết các phản ứng:

C₃H₈ (g) + 5O₂ (g) $\to$ 3CO₂ (g) + 4H₂O (l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-2220kJ$

C₄H₁₀ (g) + $\frac{13}{2}$O₂ (g) $\to$4CO₂ (g) + 5H₂O (l) ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-2874kJ$

Trung bình mỗi ngày, một hộ gia đình cần đốt gas để cung cấp 10000 kJ nhiệt (hiệu suất hấp thụ nhiệt là 80%). Số ngày hộ gia đình trên sẽ sử dụng hết bình gas 12 kg là

A. 18 ngày.

B. 28 ngày.

C. 38 ngày.

D. 48 ngày.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Gọi số mol C₃H₈ và số mol C₄H₁₀ là 2a, ta có:

44a + 58.2a = 12.1000 Þ a = 75 mol.

Nhiệt đốt cháy 12 kg gas là Q = 75.2220 + 150.2874 = 597 600 (kJ).

Số ngày sử dụng hết bình gas = $\frac{597600}{10000.\frac{100}{80}}=47,808\approx 48$ (ngày).

Câu 7. Bình gas loại 12 cân sử dụng trong hộ gia đình Y có chứa 12 kg khí hóa lỏng (LPG) gồm propane và butane với tỉ lệ mol tương ứng là 2 : 3. Khi đốt cháy hoàn toàn, 1 mol propane tỏa ra lượng nhiệt là 2220 kJ và 1 mol butane tỏa ra lượng nhiệt là 2850 kJ. Trung bình, lượng nhiệt tiêu thụ từ đốt khí gas của hộ gia đình Y là 10 000 kJ/ngày và hiệu suất sử dụng nhiệt là 67,3%. Sau bao nhiêu ngày hộ gia đình Y sử dụng hết bình gas trên?

A. 30 ngày.

B. 60 ngày.

C. 40 ngày.

D. 20 ngày.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

$\Rightarrow$ Lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hết 12 kg khí gas trên là:

91,6.2220 + 137,4.2850 = 594942 kJ.

Vì H = 67,3% $\Rightarrow$ nhiệt sử dụng thực tế là 594942.67,3% = 400396 kJ.

$\Rightarrow$ Số ngày gia đình Y sử dụng hết bình gas là $\frac{400396}{10000}\approx 40$ngày.

Câu 8. Một loại bình gas có chứa 13 kg khí thiên nhiên có thành phần chính là khí methane, ethane và một số thành phần khác, trong đó tỉ lệ thể tích của methane : ethane là 85 : 15 (thành phần khác không đáng kể). Khi đốt cháy hoàn toàn, 1 mol methane cháy tỏa ra lượng nhiệt là 802 kJ và 1 mol ethane cháy tỏa lượng nhiệt là 1428 kJ. Trung bình, lượng nhiệt tiêu thụ từ đốt khí gas trên của một hộ gia đình X là 10000 kJ/ngày, hiệu suất sử dụng nhiệt là 62%, giá của bình gas trên là 450 000 đồng. Số tiền một hộ gia đình X cần trả cho việc mua gas trong một tháng (30 ngày) gần nhất với giá trị nào sau đây?

A. 345 000 đồng.

B. 297 000 đồng.

C. 414 000 đồng.

D. 333 000 đồng.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

13 kg gas tỏa ra lượng nhiệt là: $802.610,3+1428.107,7=643256,2kJ$

Vậy hộ gia đình trên sẽ sử dụng hết bình gas 13 kg trong: $\frac{643256,2.63\%}{10000}\approx 40,5$ ngày.

Số tiền hộ gia đình X cần trả trong 1 tháng là $\frac{30.450000}{40,5}\approx 333333,33$đồng.

Câu 9. Một bình gas sử dụng trong hộ gia đình X có chứa 12 kg khí hóa lỏng (LPG) gồm propane và butane với tỉ lệ mol tương ứng là 2 : 3. Khi đốt cháy hoàn toàn, 1 mol propane tỏa ra lượng nhiệt là 2220 kJ và 1 mol butane tỏa ra lượng nhiệt là 2850 kJ. Trung bình, lượng nhiệt tiêu thụ từ đốt khí gas của hộ gia đình X là 10000 kJ/ngày và sau 45 ngày gia đình X dùng hết bình gas trên. Hiệu suất sử dụng nhiệt của hộ gia đình X gần nhất với giá trị nào sau đây?

A. 62,5%.

B. 75,6%.

C. 70,8%.

D. 67,3%.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

- Lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hết 12 kg khí gas trên là:

91,6.2220 + 137,4.2850 = 594942 kJ.

- Lượng nhiệt hộ gia đình X đã tiêu thụ là 45.10000 = 450000 kJ.

$\Rightarrow$ Hiệu suất sử dụng nhiệt của hộ gia đình X là $H=\frac{450000}{594942}.100\%=75,64\%$.

Câu 10. Một bình gas (khí hóa lỏng) có chứa 12 kg hỗn hợp propane và butane, trong đó propane chiếm 27,5% về khối lượng. Khi đốt cháy hoàn toàn, 1 mol propane tỏa ra lượng nhiệt là 2220 kJ và 1 mol butane tỏa ra lượng nhiệt là 2850 kJ. Trung bình, lượng nhiệt tiêu thụ từ đốt khí gas của một hộ gia đình X là 10000 kJ/ngày, hiệu suất sử dụng nhiệt là 70%, giá của bình gas trên là 400000 đồng. Số tiền hộ gia đình X cần trả cho việc mua gas trong một tháng (30 ngày) gần nhất với giá trị nào sau đây?

A. 250 000 đồng.

B. 290 000 đồng.

C. 310 000 đồng.

D. 350 000 đồng.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Tổng lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy 12 kg khí gas là 75.2220 + 150.2850 = 594000 kJ.

Vì H% = 70%$\Rightarrow$ lượng nhiệt thực tế đã dùng là 594000.70% = 415800 kJ.

$\Rightarrow$ Số ngày dùng hết bình gas là $\frac{415800}{10000}=41,58$ngày.

41,58 ngày dùng hết bình gas trị giá 400000 đồng.

$\Rightarrow$ 1 tháng (30 ngày) tiêu tốn hết $\frac{30.400000}{41,58}=288600$đồng.

Xem thêm các dạng bài tập Hóa học 11 hay, chi tiết khác:

• Ứng dụng độ bất bão hoà, xác định công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ
• Bài tập về phản ứng thế halogen
• Bài tập về phản ứng cộng
• Bài tập về phản ứng trùng hợp
• Bài tập về phản ứng của alk-1-yne với dung dịch AgNO₃ trong NH₃
• Bài tập về phản ứng của alcohol với kim loại kiềm

---