skkn phương pháp giải bài toán về hiệu xuất tổng hợp amoniắc ở lớp 11 chương trình chuẩn

- Hiệu suất phản ứng là một khái niệm tương đối trừu tượng đối với học sinh, nhưng nó lại là bài toán thực nghiệm liên quan trực tiếp đến những vấn đề thực tiễn trong đời sống sản xuất v

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

I Lý do chọn đề tài.

- Hoá học là một môn khoa học thực nghiệm nên việc trang bị cho học sinh các kiến thức thực nghiệm một cách chuẩn xác là vô cùng quan trọng Một trong những kiến thức thực nghiệm mà học sinh được nghiên cứu ở chương trình THPT

đó là hiệu suất phản ứng

- Hiệu suất phản ứng là một khái niệm tương đối trừu tượng đối với học sinh, nhưng nó lại là bài toán thực nghiệm liên quan trực tiếp đến những vấn đề thực tiễn trong đời sống sản xuất và có ý nghĩa vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với việc điều chế nguyên liệu với khối lượng lớn

- Trong quá trình giảng dạy cho học sinh trường THPT Lê Văn Linh, tôi thấy học sinh rất "sợ" khi gặp phải những bài toán có liên quan đến hiệu suất Trong khi dạy, tôi phải lấy rất nhiều những ví dụ thực tế "mắt thấy tai nghe" thì học sinh mới hiểu sơ bộ về khái niệm Nhưng khi bước vào tính toán thì các em thường xác định sai hướng làm và làm sai hoặc làm được nhưng mất nhiều thời gian Do đó, tôi nghĩ mình là người phải tìm ra phương pháp để định hướng cho học sinh giải dạng toán này sao cho nhanh nhất và chính xác nhất

- Mặt khác, amoniac có vai trò rất quan trọng trong ngành sản xuất hoá chất

và sản xuất phân bón Nó là nguồn nguyên liệu rẻ và được dùng để sản xuất axit nitric trong công nghiệp, sản xuất phân đạm Nếu hiệu suất phản ứng tổng hợp amoniac càng cao thì càng tiết kiệm được nguyên liệu, tiết kiệm kinh tế và sẽ hạ được giá thành sản phẩm Vậy việc cho học sinh vận dụng kiến thức học tập trên lý thuyết vào thực tế thực sự có ý nghĩa, và việc xây dựng phương pháp giải bài toán

về hiệu suất tổng hợp amoniac là việc cấp thiết

Là một giáo viên dạy hoá học, tôi đã nhìn thấy được những thực trạng trên và bản thân đã đưa ra được một số giải pháp để khắc phục thực trạng Góp phần giúp học sinh vận dụng để giải bài tập, gắn lý thuyết vào thực tiễn và hơn hết giúp học sinh có kiến thức để vượt qua các kỳ thi tốt nghiệp THPT và tuyển sinh đại

học-cao đẳng Vì vậy tôi mạnh dạn viết sáng kiến kinh nghiệm với đề tài: "Phương pháp giải bài toán về hiệu suất tổng hợp amoniac ở lớp 11 chương trình chuẩn".

II Mục đích của đề tài

- Hệ thống kiến thức cơ bản về hiệu suất phản ứng

- Giới thiệu tổng quan về phản ứng điều chế amoniac trong công nghiệp và vai trò của amoiac

- Giới thiệu một số dạng bài tập về phản ứng tổng hợp amoniac, đưa ra phương pháp giải, công thức tính nhanh và bài tập vận dụng cho từng dạng

- Đưa hệ thống bài tập trắc nghiệm khách quan (TNKQ) để áp dụng cho học sinh khối 11 trường THPT Lê Văn Linh, từ đó đánh giá và kiểm nghiệm đề tài

III Nhiệm vụ của đề tài

- Giúp học sinh hiểu đúng, hiểu rõ bản chất của phản ứng tổng hợp amoniac và phương pháp tính hiệu suất của phản ứng Qua đó vận dụng được phương pháp, có

kĩ năng giải chính xác, ngắn gọn những bài tập liên quan

- Vận dụng những kiến thức nghiên cứu trên lý thuyết, trên bài tập để vận dụng vào thực tiễn, khuyến khích học sinh tìm ra giải pháp để nâng cao hiệu suất phản ứng tổng hợp amoniac

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: nghiên cứu SGK 11,12 ; sách tham khảo về phần hiệu suất phản ứng, phản ứng tổng hợp NH3

- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: kiểm chứng cho các HS khối 11 trước và sau khi học

- Phương pháp toán học: sử dụng phương pháp toán học để tính toán và đánh giá kết quả học tập của HS

V Kế hoạch thực hiện đề tài

Đề tài được thực hiện từ tháng 9/ 2012 đến hết tháng 03/ 2013 Kiểm nghiệm tại các lớp 11A, 11B trường THPT Lê Văn Linh- Thọ Xuân- Thanh Hóa

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

1 Hiệu suất phản ứng

- Hiệu suất phản ứng là tỉ số khối lượng , thể tích hay số mol sản phẩm thu được trong thực tế với khối lượng, thể tích hay số mol sản phẩm đáng lẽ phải thu được theo lý thuyết

Hiệu suất H tính theo % tính như sau:

(Phương pháp giải toán hoá học - Nguyễn Phước Hoà Tân)

- Nếu coi phản ứng là hoàn toàn thì hiệu suất phản ứng đạt 100% thì có ít nhất một chất tham gia phản ứng phải hết Nhưng trên thực tế do một số nguyên nhân thì chất tham gia phản ứng không tác dụng hết (các chất đều còn lại), lúc này hiệu suất phản ứng nhỏ hơn 100%

- Nếu H< 100% thì lượng chất tham gia thực dùng nhiều hơn lượng lý thuyết (tính theo PTHH), còn lượng sản phẩm thu được bao giờ cũng nhỏ hơn lượng sản phẩm tính theo lý thuyết

- Công thức tính hiệu suất phản ứng:

+ Dựa vào một trong các chất tham gia phản ứng :

+ Dựa vào một trong các chất tạo thành:

(350 bài tập chọn lọc và nâng cao- Ngô Ngọc An)

Sản phẩm thực tế H= ×100%

Sản phẩm lý thuyết

Lượng thực tế đã phản ứng H= ×100%

Lượng tổng số đã lấy

Lượng thực tế thu được H= ×100%

Lượng thu theo lý thuyết

- Hiệu suất phản ứng được tính theo chất thiếu (chất hết trước khi tính theo hệ số PTHH của phản ứng với giả sử H= 100%) hoặc tính theo sản phẩm

(Hướng dẫn giải nhanh bài tập hoá học - Cao Cự Giác)

- Hiệu suất của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc điều kiện gây phản ứng (nhiệt

độ, áp suất, xúc tác, thời gian và tỉ lệ pha trộn các nguyên liệu) chứ hoàn toàn không phụ thuộc khối lượng m, số mol n và thể tích V của nguyên liệu đem ra gây phản ứng

2 Phản ứng tổng hợp amoniac

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) H<0 Đây là phản ứng thuận nghịch và toả nhiệt Các điều kiện áp dụng trong công ngiệp sản xuất amoniac là:

- Nhiệt độ: 450- 5000C

- Áp suất: 200- 300atm

- Xúc tác: sắt kim loại trộn thêm Al2O3 , K2O

(Theo SGK hoá học 11 cơ bản- trang 35)

II Thực trạng của vấn đề

- Toàn bộ cơ sở lý thuyết về hiệu suất của phản ứng tổng hợp amoniac SGK không

đề cập đến nhưng phần bài tập liên quan thì lại có hai bài:

Bài 5- trang 31: Cần lấy bao nhiêu lít khí Nitơ và khí hiđro để điều chế được 67,2l khí amoniac? Biết các khí đều được đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và hiệu suất phản ứng là 25%

Bài 8 - trang 38: Phải dùng bao nhiêu lit khí Nitơ và bao nhiêu lit khí H2 để điều chế được 17g NH3 Biết hiệu suất chuyển hoá thành NH3 là 25% (các khí ở đktc)

- Sau khi học xong lý thuyết bài amoniac và muối amoni, một phần không nhỏ học sinh các lớp 11 trường THPT Lê Văn Linh đã rất lúng túng khi giải các bài tập trên

T 0 , P, xt

- Kết quả khảo sát chất lượng học sinh khi chưa được học chuyên đề " phương pháp giải bài toán hiệu suất tổng hợp amoniac ở lớp 11" tại các lớp 11A, 11B trường THPT Lê Văn Linh- Thọ Xuân- Thanh Hoá:(Bài kiểm tra 20 phút- 10 câu trắc nghiệm)

Lớp Sĩ số Số Giỏi Khá Trung bình Yếu- Kém

luợng %

- Qua việc kiểm tra khảo sát sơ bộ về phần bài tập hiệu suất phản ứng tổng hợp

amoniac của HS thì chỉ có một phần nhỏ đạt kết quả tốt, phần lớn các em không hiểu, một số thì hiểu sai bản chất nên kết quả không cao Đây là dạng bài tập khó,

dễ nhầm lẫn và đặc biệt trong kiểm tra trắc nghiệm thì học sinh dễ dàng bị mắc

"bẫy" do các phương án "nhiễu" gây ra

- Amoniac có vai trò tương đối lớn cho công nghiệp và nông nghiệp, tuy nhiên amoniac cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước và cả không khí Vì vậy trong quá trình sản xuất amoniac người ta phải tìm ra các giải pháp để hạn chế khí NH3 thải ra môi trường tối ưu nhất, để hiệu suất phản ứng cao nhất có thể Tôi nghĩ rằng việc đưa dạng toán về phản ứng tổng hợp NH3 vào chương trình học của học sinh THPT là việc cần làm và thiết thực

III Giải pháp và tổ chức thực hiện

Dạng 1: Tìm hiệu suất phản ứng (Bài toán thuận)

Bài toán: Tiến hành tổng hợp NH3 với hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 (có tỉ lệ mol tương ứng là 1:k) được hỗn hợp khí Y Tính hiệu suất tổng hợp NH3?

Giải:

Giả sử lấy hỗn hợp X gồm: 1mol N2

k mol H2



k

k

M X





 1

2 28 Gọi số mol N2 đã phản ứng là a

PTHH:

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

Ban đầu: 1 k 0 mol

Phản ứng: a 3a 2a mol

Cân bằng: (1-a) (k-3a) 2a mol

Hỗn hợp Y gồm: N2: (1-a) mol

H2 : (k-3a) mol

NH3 : 2a mol

 M Y k k a

2 1

2 28







 (mX = mY)

Trường hợp 1: Nếu k ≥ 3 : N 2 phản ứng hết so với H 2

Hiệu suất phản ứng được tính theo N2 hoặc NH3:

% 100

% 100

2

n

n

H

bđ

N

pu

N





2

2

% 100 ) (

) (

3

n

n H

LT NH

TT NH











(Trong đó: n NH3(TT): là số mol NH 3 thu được trên thực tế; n NH3(LT)là số mol NH 3

tính theo phương trình hay trên lý thuyết)

- Nếu đề bài cho số mol cụ thể ta sẽ lập được 1 phương trình ẩn a, giải ta tìm được

a và tính được hiệu suất phản ứng

- Nếu đề bài cho dữ kiện tỉ khối của X so với Y (dX/Y) thì ta có:

) 1

( 2

)

1

(

1

2 1 1

2 1 2 28

2 1 1

2 28

Y X Y

X

Y

d

k

a

k

a k

a k k

a k k

k M

M

d







































% 100 2

) 1

)(

1

(







d

k

Vậy ta có thể dùng công thức(*) để tính nhanh hiệu suất

Trường hợp 2: Nếu k≤ 3: H 2 thiếu so với N 2

Hiệu suất phản ứng được tính theo H2 phản ứng hoặc NH3 tạo thành

100 % 3 100 %

2

2









k

a n

n

H

Bđ

H

pu

H

hoặc

T 0 , P, xt

100%

3

% 100 3

2

2

% 100

) (

) (

3

3













k

a k

a n

n

H

LT NH

TT NH

- Nếu đề bài cho dữ kiện tỉ khối của X so với Y (dX/Y), lúc này ta được biểu thức tính hiệu suất như sau:

2

) 1

)(

1 (

3

% 100

3













k

d k k

a

Vậy ta có thể dùng công thức(**) để tính nhanh hiệu suất

Chú ý: Nếu đề bài cho các dữ kiện liên quan đến áp suất của hỗn hợp khí ta áp

dụng phương trình trạng thái khí:

RT

PV

n  trong đó n: số mol chất khí

P: áp suất chất khí (atm)

V: thể tích khí (lit)

R: hằng số khí = 0,082 T= t0C+ 273 : nhiệt độ Kenvin

Ở điều kiện V, T không đổi ta có:

2

1 2

1

n

n P

P



Ví dụ 1: Nén 1 hỗn hợp khí gồm có 2 mol nitơ, 7 mol hidro trong 1 bình phản ứng

có sẵn chất xúc tác và nhiệt độ của bình được giữ không đổi ở 4500C Sau phản ứng thu được 8,2 mol hỗn hợp khí.Tính hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3

Giải: Hỗn hợp X gồm: 2 mol N2

7 mol H2

Gọi số mol N2 đã phản ứng là a

PTHH:

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

Ban đầu: 2 7 0 mol

Phản ứng: a 3a 2a mol

Cân bằng: (2-a) (7-3a) 2a mol

Hỗn hợp Y gồm: N2: (2-a) mol

H2 : (7-3a) mol

NH3 : 2a mol

T 0 , P, xt

 nsau = 9- 2a

Theo bài ra ta có: nsau = 9- 2a = 8,2 mol  a= 0,4mol

Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 :

H=

Bđ

N

pu

N

n

n

2

2

= 100 %

2

a

= 100 % 2

4 , 0

Ví dụ 2: Người ta thực hiện phản ứng tổng hợp NH3 từ 84g N2 và 12g H2. Sau phản ứng thu được 25,5g NH3

a Tính % thể tích hỗn hợp sau phản ứng

b Tính hiệu suất của phản ứng

Giải: n N 3mol

2  ; n H 6mol

2  ; n NH 1 , 5mol

3  Gọi số mol N2 đã phản ứng là a

PTHH:

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

Ban đầu: 3 6 0 mol

Phản ứng: a 3a 2a mol

Cân bằng: (3-a) (6-3a) 2a mol

Hỗn hợp khí sau phản ứng gồm: N2: (3-a) mol

H2 : (6-3a) mol

NH3 : 2a mol

a mol

n NH 1 , 5 2

3    a=0,75 mol

75 , 0 2 9

75 , 0 3 100 2 9

3

















a a

75 , 0 2 9

75 , 0 3 6 100 2

9

3

6

















a a

%NH3 = 100%- 30%- 20% = 30%

b) Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 :

H=

Bđ

H

pu

H

n

n

2

2

= 100 % 6

3



a

6

75 , 0 3

 = 37,5%

Ví dụ 3: a/ Tiến hành tổng hợp NH3 từ hỗn hợp X gồm N2 và H2 (có tỉ lệ mol tương ứng 1:3) thu được hỗn hợp Y Biết 0,8

Y

d Tính hiệu suất tổng hợp NH3 b/ Tiến hành tổng hợp NH3 từ hỗn hợp X gồm N2 và H2 (có tỉ lệ mol tương ứng 1:4) thu được hỗn hợp Y Biết 0,8

Y

d Tính hiệu suất tổng hợp NH3 c/ Tiến hành tổng hợp NH3 từ hỗn hợp X gồm N2 và H2 (có tỉ lệ mol tương ứng 1:2) thu được hỗn hợp Y Biết 0,8

Y

d Tính hiệu suất tổng hợp NH3

T 0 , P, xt

Giải: a) Áp dụng công thức (*) ta có:

2

) 8 , 0 1 )(

3 1 (

% 100 2

) 1

)(

1

(

















Y X

d k

b) k>3, áp dụng công thức (*) ta có:

2

) 8 , 0 1 )(

4 1 (

% 100 2

) 1

)(

1

(

















Y X

d k

c) k< 3 áp dụng công thức (**) ta có:

2 2

) 8 , 0 1 )(

2 1 ( 3

% 100 2

) 1

)(

1

(

3

















k

d

k

Y X

Ví dụ 4: Trong bình phản ứng có 100 mol N2 và H2 theo tỷ lệ 1: 3 Áp suất của hỗn hợp khí lúc đầu là 300 atm và của hỗn hợp khí sau phản ứng là 285 atm Nhiệt độ trong bình được giữ không đổi Tính hiệu suất phản ứng

Giải

Cách 1:Vì điều kiện nhiệt độ và thể tích không đổi nên:

X đ s

s s đ đ

s

đ

s

M

M M m

M m

n

n

P

P







300

285







đ

s

P d

Áp dụng công thức (*) ta có:

2

) 95 , 0 1 )(

3 1 (

% 100 2

) 1

)(

1

(

















Y X

d k

Cách 2: n N 25mol

2  ; n H 75mol

2  Gọi số mol N2 đã phản ứng là a

PTHH:

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

Ban đầu: 25 75 0 mol

Phản ứng: a 3a 2a mol

Cân bằng: (25-a) (75-3a) 2a mol

Hỗn hợp khí sau phản ứng gồm: N2: (25-a) mol

H2 : (75-3a) mol

T 0 , P, xt

NH3 : 2a mol

 ns=100-2a (mol)

Vì điều kiện nhiệt độ và thể tích không đổi nên:

285

300 2

100

100

2

1

2

1









a n

n

P

P

 a= 2,5 (mol) Hiệu suất phản ứng:

25

5 , 2

% 100

a

Dạng 2: Cho biết hiệu suất phản ứng, tìm khối lượng chất tham gia hoặc chất tạo thành (Bài toán nghịch)

1 Cho hiệu suất phản ứng H tìm khối lượng amoniac thu được

) (

) (

3

3





LT NH

TT NH

n

n

H  n NH TT n NH LT H

100

) ( )

3

(Trong đó: n NH3(TT): là số mol NH 3 thu được trên thực tế; n NH3(LT)là số mol NH 3

tính theo phương trình hay trên lý thuyết)

Từ đó tính được khối lượng NH3 thu được sau phản ứng

- Nhận xét: Ta thấy khối lượng NH3 thu được trên thực tế sẽ luôn nhỏ hơn khối lượng NH3 tính theo phương trình

2 Cho biết hiệu suất phản ứng H, tìm khối lượng chất tham gia phản ứng (hay tính khối lượng N2 và H2 cần lấy với hiệu suất H để thu được lượng NH3 theo yêu cầu)

100 ) ( )

(

2

H

n

n H TT H LT  từ đó tính khối lượng Hiđro cần lấy

100 ) ( )

(

2

H

n

n N TT N LT  từ đó tính khối lượng nitơ cần lấy

Hoặc ta có thể tính tương tự đối với công thức của khối lượng tuỳ thuộc từng bài toán

- Nhận xét: Ta thấy khối lượng chất tham gia phản ứng trên thực tế bao giờ cũng lớn hơn khối lượng tính theo phương trình (trên lý thuyết)

Ví dụ 1:( Bài 5- trang 31) Cần lấy bao nhiêu lít khí Nitơ và khí hiđro để điều chế được 67,2l khí amoniac? Biết các khí đều được đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và hiệu suất phản ứng là 25%

Giải

PTHH:

N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

1 3 2 lít

y x 67,2l

Tính theo PT:(Tỉ lệ về thể tích cũng là tỉ lệ về số mol khi các khí ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất)

x= V H2(LT) = 672,2.3= 100,8 lit

 ( ) 2( ) 100

H

V

V H TT H LT = 100

25

8 , 100

 =403,2 lit

y= V N2(LT) =

2

2 , 67

= 33,6 lit

)

(

2

H

V

TT

25

6 , 33

 =134,4 lit

Ví dụ 2:(Bài 8 - trang 38) Phải dùng bao nhiêu lit khí Nitơ và bao nhiêu lit khí H2

để điều chế được 17g NH3 Biết hiệu suất chuyển hoá thành NH3 là 25% (các khí ở đktc)

17

17

NH

PTHH: N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 

1 3 2 mol

y x 1

Tính theo PT

x= n H2(LT) = 12.3= 1,5 mol

 ( ) 2( ) 100

H

n

n H TT H LT = 100

25

5 , 1

 = 6 mol  V H2(TT)=134,4 lit

y= n N2(LT)= 12 = 0,5 mol

 ( ) 2( ) 100

H

n

n N TT N LT = 100

25

5 , 0

 = 2mol  V N2(TT)=44,8 lit

T 0 , P, xt

T 0 , P, xt