Luận văn tốt nghiệp hệ thống hóa phần bài tập hóa lý phục vụ giảng dạy

Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học: Ngoài phương pháp xác định bằng thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt còn được xác định dựa vào định luật Hess và năng lượng liên kết

LỜI MỞ ĐẦU

Sự hiểu biết về cấu trúc, năng lượng và cơ chế phản ứng để lý giải các quyluật diễn biến của một quá trình hóa học là nhiệm vụ hàng đầu của bộ môn Hóa lý Nóicách khác, nắm chắc các kiến thức Hóa lý giúp các nhà khoa học hiểu sâu sắc hơn bảnchất của quá trình hóa học

Bài tập Hóa lý đóng vai trò quan trọng trong việc dạy và học hóa lý nóiriêng và Hóa học nói chung Muốn hiểu được cơ sở lý thuyết hóa học không thể khôngtinh thông việc giải các bài tập Hóa lý Mặt khác, kiến thức giữa các phần, các chươngcũng có mối liên hệ mật thiết với nhau Chính vì vậy mà số lượng bài tập về bộ mônHóa lý rất đa dạng và phong phú Bên cạnh đó, các bài tập này còn nằm ở nhiều tàiliệu, ở nhiều dạng khác nhau, chưa được phân loại rõ ràng Vì vậy với mục đích giúpcho giáo viên cũng như học sinh, sinh viên nâng cao khả năng tiếp thu và có được tàiliệu với cái nhìn khái quát hơn về bộ môn này, tôi chọn đề tài “Hệ thống hóa bài tậpphần Hóa lý phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi ở trường trung học phổ thông”, vớinhững nhiệm vụ chính sau:

- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết cơ bản của bộ môn Hóa lý

- Phân loại các dạng bài tập phần Hóa lý phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi ởtrường trung học phổ thông

Mặt khác, vì còn nhiều hạn chế về trình độ, thời gian nên bài luận văn nàychắc không thể tránh khỏi những sai sót ngoái ý muốn Tôi rất mong nhận được sự góp

ý, chỉ bảo của các thầy cô và bạn đọc để hoàn thiện hơn ở những nghiên cứu tiếp theo

MỤC LỤC

Trang LỜI MỞ ĐẦU……… ……….1

MỤC LỤC……….2

Phần A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÓM TẮT……… 7

Chương I: CẤU TẠO CHẤT……….….7

I/ Đại cương về hạt nhân nguyên tử………7

1 Các đại lượng liên quan đến hạt nhân và lớp vỏ nguyên tử……….7

2 Năng lượng hạt nhân………7

3 Năng lượng riêng của hạt nhân……….7

4 Đồng vị……….…7

5 Sự phóng xạ và phản ứng hạt nhân……… 7

6 Động học quá trình phóng xạ……… 8

II/ Áp dụng cơ học lượng tử vào cấu tạo nguyên tử……… 9

III/ Nguyên tử một electron………10

1 Đối với nguyên tử hyđro (nguyên tử đơn giản nhất), lý thuyết đã chứng minh……… 10

2 Với ion giống hyđro……… 10

3 Hàm sóng ……… 11

4 Orbital nguyên tử (AO)……… 11

5 Một số dạng AO……….11

6 Một số các đại lượng cơ học tính theo cơ học lượng tử và lý thuyết Bohr – Sommerfeld được ghi trong bảng sau………11

IV/ Nguyên tử nhiều electron…… ……… 12

1 Cấu hình electron và cách biểu diễn nó……… 12

2 Phương pháp xác định R(r) theo Slater……… 13

Chương II: NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC……….………13

I/ Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học và nhiệt hóa học ………… 13

1 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học……… 13

2 Nhiệt hóa học……… 14

3 Các trạng thái chuẩn……… 14

4 Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học………… 14

5 Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Phương trình Kirchhoff… 16

II/ Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và các thế nhiệt động……… 16

1 Entropi và sự tính Entropi trong một số quá trình……… 16

2 Thế nhiệt động G và F……… 18

III/ Cân bằng hóa học……….18

1 Định luật tác dụng khối lượng……… 18

2 Phương trình đẳng nhiệt của phản ứng hóa học……….19

3 Sự chuyển dịch cân bằng hoá học Nguyên lí Le Chatelier (Lơ Satơliê)… 20

4 Cân bằng pha……… 21

IV/ Dung dịch……… 22

1 Nồng độ phần trăm khối lượng……… 22

2 Nồng độ mol……… 22

3 Nồng độ đương lượng gam………22

4 Nồng độ molan……… 22

5 Nồng độ phần mol……… 22

6 Độ tan……….22

7 Áp suất thẩm thấu……… 23

8 Định luật Raoult I……… 23

9 Độ tăng điểm sôi của dung dịch……….…23

10 Độ hạ băng điểm của dung dịch……… 23

11 Định luật Raoult II……… 24

12 Độ điện ly……….24

13 Hằng số điện ly……….24

14 Hằng số ion hóa của axít – bazơ……… ….24

15 Cách tính pH của một số dung dịch……….25

16 Tính chất axít – bazơ của các dung dịch muối……….25

17 Dung dịch đệm……….26

18 Tích số tan……… 26

19 Qui tắc tích số tan……….26

20 Phản ứng trao đổi ion……… 26

Chương III: ĐỘNG HÓA HỌC……… 26

I/ Động học của các phản ứng đơn giản và phức tạp……… 26

1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản……… 26

2 Phản ứng đơn giản một chiều……….27

3 Các phương pháp xác định bậc phản ứng……… 29

4 Phản ứng phức tạp……… 32

II/ Lý thuyết tốc độ phản ứng……… 34

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng……… 34

2 Lý thuyết tốc độ phản ứng……….….35

III/ Phản ứng quang hóa và phản ứng dây chuyền……… 37

1 Phản ứng quang hóa……… 37

2 Phản ứng dây chuyền……….…………38

IV Xúc tác……… …38

Chương 4: ĐIỆN HÓA HỌC……… ….40

I/ Phản ứng oxi hóa khử……….…40

1 Khái niệm……… 40

2 Cân bằng phản ứng oxi hóa khử……….40

II/ Dung dịch điện phân……….…….…41

1 Cân bằng trong dung dịch điện phân……… 41

2 Độ dẫn điện của dung dịch điện phân………43

3 Số tải……… 44

III/ Nguyên tố Ganvani……… ….45

1 Nhiệt động học về nguyên tố Ganvani……… 45

2 Một số ứng dụng của sự đo sức điện động của nguyên tố Ganvani…… ….47

IV/ Điện phân và quá thế……… 48

PHẦN B: BÀI TẬP 49

Chương I: CẤU TẠO CHẤT ……… ……… ………… 49

I/ Bài tập hạt nhân nguyên tử 49

1 Bài tập có lời giải……… ………49

a Bài tập về đồng vị……… … 49

b Bài tập về phản ứng hạt nhân……… 50

c Bài tập về năng lượng liên kết hạt nhân và năng lượng phản ứng hạt nhân……… 52

d Bài tập về chu kì bán hủy và xác định tuổi cổ vật………… ………….54

2 Bài tập tự giải……… ……… 57

II/ Bài tập về số hạt proton, nơtron, electron và cấu hình electron ……….61

1 Bài tập có lời giải……… 61

2 Bài tập tự giải……….65

III/ Bài tập áp dụng cơ học lượng tử vào cấu tạo nguyên tử……… …68

1 Bài tập có lời giải……… ………68

a Bài tập về 4 số lượng tử……… …….68

b Bài tập về quang phổ nguyên tử, năng lượng electron và hằng số chắn Slater……… ……… 71

2 Bài tập tự giải……….77

Chương II: NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC….… ……… … 80

I/ Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học và nhiệt hóa học………….….80

1 Bài tập về công, nhiệt, nội năng……… ……….…… 80

a Bài tập có lời giải……… ……… 80

b Bài tập tương tự không có lời giải……… 82

2 Bài tập về định luật Hess và hệ quả……… 82

a Bài tập có lời giải……… ……… 82

b Bài tập tương tự không có lời giải………88

3 Dựa vào năng lượng liên kết……… …… 89

a Bài tập có lời giải……… ………… 89

b Bài tập tương tự không có lời giải……… 91

4 Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Phương trình Kirchhoff… 92

a Bài tập có lời giải……… ……… 92

b Bài tập tương tự không có lời giải……… 97

II/ Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học……… 97

1 Tính biến thiên entropiS……… ……… 97

a Bài tập có lời giải……… ……… 97

b Bài tập tự giải……… ………… 100

2 Tính thế nhiệt độngG……… ………….102

a Bài tập có lời giải……… ……….102

b Bài tập tự giải……… …… 104

3 Dạng tổng hợp……… ……… 106

III/ Cân bằng hóa học……… …………114

1 Bài tập xác định hằng số cân bằng……… 114

2 Bài tập chuyển dịch cân bằng……… … 120

3 Bài tập quan hệ Kcb với các đại lượng nhiệt động khác 122

4 Bài tập phụ thuộc KCB theo nhiệt độ……… ……….125

5 Các dạng bài tập khác 128

IV/ Dung dịch……… ……… ……… 131

1 Nồng độ phần trăm khối lượng……… ………….131

2 Nồng độ mol……… ……… 131

3 Nồng độ molan……… ………… 131

4 Phân số mol……… ……… 132

5 Nồng độ đương lượng gam……… 132

6 Pha trộn dung dịch……… ………132

7 Độ tan……… ………133

8 Áp suất thẩm thấu……… …….133

9 Áp suất hơi bão hòa của dung dịch……… 133

10 Nhiệt độ sôi của dung dịch……… ……… 134

11 Nhiệt độ đông đặc của dung dịch……… ….134

12 Chất điện ly……… ……… 135

13 Độ điện ly và hằng số điện ly……… …… 135

14 Dung dịch chất điện ly mạnh……… 136

15 Lý thuyết proton về axít và bazơ……… ……… 136

16 Tích số ion của nước……… … 136

17 Độ mạnh cặp axít – bazơ liên hợp……… 137

18 Độ mạnh của axít và bazơ……… ………… 137

19 Phản ứng trung hòa……… ……… 137

20 Tính chất axít – bazơ……… 137

21 Hỗn hợp đệm……… 138

22 Chất điện ly ít tan……… …………139

23 Tích số tan……… ……… 139

24 Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch……… 140

Chương III: ĐỘNG HÓA HỌC ……… ……… 140

I/ Xác định hằng số k, bậc phản ứng và chu kì bán hủy, năng lượng hoạt hóa 140

1 Bài tập có lời giải……… ……… 140

2 Bài tập tương tự không có lời giải……… 143

II/ Xác định % chất bị phân hủy 148

1 Bài tập có lời giải……… …… 148

2 Bài tập tương tự không có lời giải……… ……148

III/ Chứng minh phản ứng diễn ra theo bậc nào dựa vào t, C hay t, p và xác định k……… ……… 149

1 Bài tập có lời giải……….……… ……….149

2 Bài tập tương tự không có lời giải……… ……150

IV/ Thời gian để chất A biến đổi thành chất B……… 152

1 Bài tập có lời giải……… ……… 152

2 Bài tập tương tự không có lời giải……… …155

Chương IV: ĐIỆN HÓA HỌC……… ………… ……….156

I/ Phản ứng oxi hóa khử 156

II/ Dung dịch điện phân……… ………….157

1 Cân bằng trong dung dịch điện phân……… ……157

a Sự điện li……… ……… 157

a1) Bài tập có lời giải……… …… 157

a2) Bài tập tự giải……… ………… 158

b Hoạt độ và hệ số hoạt độ của chất điện phân……… ……… 158

b1) Bài tập có lời giải……… ……… 158

b2) Bài tập tự giải……… ……….….159

2 Độ dẫn điện của dung dịch điện phân và số tải……… ….160

a Bài tập có lời giải………160

b Bài tập tự giải……… ……… 163

III/ Nguyên tố Ganvani.……… ……….…166

1 Bài tập có lời giải……… ………… 166

2 Bài tập tự giải……… ………172

IV/ Điện phân và quá thế……… ………… 174

1 Bài tập có lời giải……… ……… 174

2 Bài tập tự giải……… ………176

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….…… ……… 179

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….……… 180

Phần A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÓM TẮT

Chương I: CẤU TẠO CHẤT

I/ Đại cương về hạt nhân nguyên tử:

1 Các đại lượng liên quan đến hạt nhân và lớp vỏ nguyên tử:

–Hạt nhân được cấu tạo bởi proton 1

1pvà nơtron 1

0n.–Sự chuyển hóa qua lại giữa proton và nơtron:

C - tốc độ ánh sáng trong chân không

Hệ thức tương đối của Einstein:

o

2

m m

v 1 c



trong đó: mv - khối lượng của hạt khi chuyển động (khối lượng động);

mo - khối lượng của hạt khi đứng yên (khối lượng nghỉ);

v - tốc độ chuyển động của hạt

3 Năng lượng riêng của hạt nhân:

r

E E A

Nguyên tử khối trung bình của hỗn hợp đồng vị được xác định theo hệ thức:

5 Sự phóng xạ và phản ứng hạt nhân:

a Các kiểu phóng xạ:

a.1) Phóng xạ kiểu  : là quá trình phóng xạ xảy ra khi hạt nhân nguyên tử

phóng ra hạt nhân nguyên tử Heli 4 2

2He  Khi đó phần còn lại có số khối giảm đi 4 đơn

vị và số hiệu nguyên tử giảm đi 2 đơn vị

Ví dụ: 22688Ra  22286Ra42He

a.2) Phóng xạ kiểu  : là quá trình phóng xạ xảy ra khi hạt nhân nguyên tử

phóng ra hạt electron Khi đó số khối của hạt nhân vẫn không đổi nhưng số hiệunguyên tử tăng 1 đơn vị

Thực chất trong kiểu phóng xạ này một nơtron chuyển thành 1 proton và 1electron, sau đó hạt nhân phóng ra 1 electron

28Ni  29Cu1e

a.3) Phóng xạ kiểu  : là quá trình phát ra năng lượng điện từ (tương tự

như năng lượng ánh sáng) từ hạt nhân của một nguyên tử Không có các hạt được phát

ra trong quá trình phóng xạ kiểu , và vì vậy phóng xạ kiểu  không gây ra sự thay đổitrong nguyên tử

b Định luật chuyển dịch phóng xạ Fajans – Soddy:

–Tốc độ phân hủy (hay phân rã) phóng xạ là số nguyên tử bị phân hủy trong

1 đơn vị thời gian

–Chu kì bán hủy của những hạt nhân phóng xạ là thời gian để phân hủy

được một nữa số nguyên tử ban đầu (hay một nữa lượng ban đầu)

N là số nguyên tử trong mẫu.

II/ Áp dụng cơ học lượng tử vào cấu tạo nguyên tử:

- Thuyết lượng tử của Planck: E = hv

- Hiệu ứng quang điện:

Hạt (hiệu ứng quang điện) m De Broglie

- Hệ thức bất định Heisenberg:   x px  , trong các công thức trên:

h - hằng số Planck;

h 2





 - hằng số Planck rút gọn;

v - tần số dao động của electron;

vo - ngưỡng quang điện;

m - khối lượng electron;

v - tốc độ chuyển động của electron

x

x, p

  - độ bất định về tọa độ và xung lượng theo trục x

Do hệ hạt vi mô có thuộc tính khác hẳn hệ vĩ mô nên người ta phải dùnghàm sóng (q,t) để mô tả trạng thái chuyển động của chúng

(q,t)

 - không có ý nghĩa trực tiếp;

2(q,t)

 - biểu thị mật độ xác suất tìm thấy hạt tại một điểm nào đó trongkhông gian;

2(q,t) dV



Hệ thống khái niệm về cơ học lượng tử khác hẳn với hệ thống khái niệm của

cơ học cổ điển Cơ học lượng tử cho biết xác suất tìm thấy hạt mà không nói về quỹđạo, về tọa độ và về vận tốc của nó ở thời điểm này hay thời điểm khác

Phương trình sóng Schrodinger ở trạng thái dừng (hàm (q) chỉ phụ thuộcvào tọa độ):

L: chiều dài của hộp thế.

III/ Nguyên tử một electron:

1 Đối với nguyên tử hyđro (nguyên tử đơn giản nhất), lý thuyết đã chứng minh:

4

13,6 , eV k = 9.10 2

2 Với ion giống hyđro: AZX(Z 1) 

trong đó: Z là điện tích hạt nhân.

- Vạch giới hạn là vạch đầu và cuối của một dãy phổ

  chỉ xác suất bắt gặp electron trong một đơn vị thể tích không gian d

4 Orbital nguyên tử (AO):

Được định nghĩa như là hàm sóng n,l,ml(r, , )   mô tả trạng thái electrontrong trường tĩnh điện thực hoặc hiệu dụng

Nếu kể cả spin thì trạng trái electron trong nguyên tử hoàn toàn được xácđịnh bằng 4 số lượng tử n, l, ml, ms

-lượng

2 4 2

IV/ Nguyên tử nhiều electron:

1 Cấu hình electron và cách biểu diễn nó:

Nguyên lý Pauli: Trên một AO chỉ có thể có nhiều nhất là 2 electron được

ghép đôi đối song với nhau

Nguyên lý vững bền: Trong nguyên tử, các electron sẽ chiếm cứ lần lượt các

phân mức có năng lượng từ thấp đến cao Nguyên lý này được minh họa bằng sơ đồKlenchkowski

Quy tắc Hund: Trên cùng một phân lớp, các electron sẽ được phân bố sao

cho tổng spin là cực đại (số electron độc thân là nhiều nhất)

2 Phương pháp xác định R(r) theo Slater:

o a

* / r

* z 1

* e r N ) (



eV 6 , 13 n

Z2

2 l,

n  



trong đó: N - thừa số chuẩn hóa;

r - khoảng cách giữa hạt nhân và electron;

0,351,001,00

00,351,00

000,35

000Riêng trên AO – 1s thì b = 0,30

Chương II: NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC

I/ Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học và nhiệt hóa học:

1 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học:

Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học thực chất là định luật bảo toàn năng

lượng: Năng lượng của một hệ cô lập luôn luôn bảo toàn

Biểu thức tổng quát :

∆U = Q + A (1)

Ở dạng vi phân :

dU = δQ + δA (1’)Q + δQ + δA (1’)A (1’)

Trong đó: U: nội năng, Q: nhiệt, A: công

Nhiệt động học qui ước dấu:

Hệ tỏa nhiệt hoặc sinh công thì: Q < 0, A < 0

Hệ thu nhiệt hoặc nhận công thì: Q > 0, A >0

∆n: biến thiên số mol khí trong quá trình phản ứng.

T: nhiệt độ tuyệt đối (K)

R: hằng số khí với R = 8,314 J/mol K

= 1,987 cal/mol.K

= 0,082 l.atm/mol.K

- Đối với phản ứng xảy ra ở pha rắn, lỏng : ∆n = 0 nên QP = QV

- Đối với phản ứng xảy ra ở pha khí: QP = QV + ∆nRT

- Điều kiện chuẩn của phản ứng: 25oC (298 K), 1 atm

∆H được tính ở điều kiện chuẩn cho 1 mol chất kí hiệu là: ∆Ho

4 Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học:

Ngoài phương pháp xác định bằng thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt còn được

xác định dựa vào định luật Hess và năng lượng liên kết

a Dựa vào định luật Hess và các hệ quả của định luật Hess:

a.1) Định luật Hess:

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất vàtrạng thái của các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng chứ không phụ thuộc vào cách

tiến triển của quá trình, nghĩa là không phụ thuộc vào số lượng và đặc trưng của cácgiai đoạn trung gian.

Ví dụ: Giả sử có 3 cách chuyển hệ từ trạng thái đầu X đến trạng thái cuối Y ứngvới các hiệu ứng nhiệt theo sơ đồ sau:

Theo định luật Hess ta có : ∆H = ∆H1 + ∆H2 = ∆H3 + ∆H4 + ∆H5

a.2) Các hệ quả của định luật Hess:

b Dựa vào năng lượng liên kết:

Phản ứng hóa học về bản chất là phá vỡ liên kết cũ và hình thành liên kếtmới Do đó, tại nhiệt độ T và áp suất không đổi, ta có:

∆H phản ứng = Σ υ i E i – Σ υ j E j (9)Trong đó:

i : chất ban đầu; j :chất sản phẩm

υi, υj: số liên kết

E : năng lượng phá vỡ liên kết ( E > 0 )

5 Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Phương trình Kirchhoff:

a Nhiệt dung và sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ:

Nhiệt dung (C) là lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ của chất lên 1 độ

Nhiệt dung của 1g chất gọi là nhiệt dung riêng

Nhiệt dung của 1mol chất gọi là nhiệt dung mol

* Ở điều kiện đẳng áp ta có nhiệt dung đẳng áp CP.

II/ Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và các thế nhiệt động:

1 Entropi và sự tính Entropi trong một số quá trình:

Nguyên lý II đã thiết lập được rằng đối với quá trình thuận nghịch nhiệtđộng tỷ số giữa lượng nhiệt vô cùng nhỏ và nhiệt độ tuyệt đối là một vi phân toàn phầnđúng của một hàm số nào đó, hàm Entropi S:

TN

Q dS

  

Nếu quá trình thuận nghịch là đoạn nhiệt (Q0) thì S 0;  S 0 Đối với quá trình không thuận nghịch nhiệt động thì:

KTN

Q S

G = H – TS, F = U – TS.

Thế nhiệt động G còn được gọi là năng lượng tự do Gibbs (Gip-Xơ), F cònđược gọi là năng lượng tự do Helmholtz (Hem-Hon-Xơ) G và F đều được gọi là nănglượng tự do vì đó là phần năng lượng tự do chuyển thành công

Từ các biểu thức định nghĩa đối với G và F ta có:

Đối với G ở T, P = const; dG = dH – TdS

Hay đối với quá trình hữu hạn:

Đối với F ở T, V = const; dF = dU-TdS

Hay đối với quá trình hữu hạn:

Các hàm G và F được dùng làm tiêu chuẩn đánh giá chiều hướng của quátrình Thực vậy nếu quá trình tự xảy ra T, P=const thì phải kèm theo sự giảm của G tứclà:

III/ Cân bằng hóa học:

1 Định luật tác dụng khối lượng:

Định luật tác dụng khối lượng là biểu thức toán học về những điều kiện cụthể xác định cân bằng hoá học Giả sử nghiên cứu phản ứng có dạng tổng quát sau đây:

1A1 + 2A2 +…= 1’B1 + 2’B2 +…

a Nếu phản ứng xảy ra trong pha khí và pha khí được xem là khí lí tưởng thì hằng số cân bằng biểu thị thông qua áp suất riêng phần P i lúc cân bằng của các cấu tử:

1 2 1

Kc là hằng số cân bằng biểu thị qua nồng độ

Hằng số cân bằng Kc và Kp chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Giữa Pi và phần mol xi có mối liên hệ Pi = P.xi, P là áp suất chung của hỗnhợp khí, thay vào phương trình Kp ta được:

1 2 1

Kx ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ còn phụ thuộc vào áp suất

Sự phụ thuộc giữa 3 đại lượng Kp, Kc, kx:

P bB

P

K = P

Trong trường hợp phản ứng xảy ra trong dung dịch loãng:

[ ] biểu thị nồng độ mol lúc cân bằng

2 Phương trình đẳng nhiệt của phản ứng hóa học:

- Ta có thể tính biến thiên thế đẳng áp theo phương trình đẳng nhiệt Van’tHoff:

1 2 1

Dựa vào dấu của ∆G và ∆F ta có thể dự đoán chiều hướng của phản ứng

- Liên hệ giữa biến thiên thế đẳng áp chuẩn và hằng số cân bằng Kp:

0

ΔnG = -RTlnK (KP tính theo thứ nguyên atm)

- Liên hệ giữa biến thiên thế đẳng tích chuẩn và hằng số cân bằng KC:

0

ΔnF = -RTlnK (KC tính theo thứ nguyên mol/l)

- Trong một khoảng nhiệt độ T1 – T2 không lớn, nếu giá trị hiêụ ứng nhiệt 

H của phản ứng hoá học được chấp nhận không đổi thì phép tích phân cho kết quả sau:

a Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng hoá học Nguyên lí L e Chatelier:

- Như đã thấy ở trên, một hệ cân bằng được đặc trưng bởi các giá trị hoàntoàn xác định của các thông số như nhiệt độ, áp suất, nồng độ các chất v.v Nếu nhưbằng một cách nào đó người ta làm thay đổi một trong các yếu tố này thì trạng thái của

hệ bị thay đổi, các thông số của hệ sẽ nhận những giá trị mới và do đó, hệ chuyển sangmột trạng thái mới Thế nhưng, khi tác động bên ngoài ấy bị loại bỏ thì hệ lại quay trởlại trạng thái ban đầu Hiện tượng trên được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hoá học

- Mọi sự chuyển dịch cân bằng hoá học đều tuân theo một nguyên lí chung

độ của các chất sản phẩm C và D sẽ gây nên kết quả ngược lại

- Đối với phản ứng toả nhiệt (∆H0 < 0), khi nhiệt độ tăng thì - ∆H0/RT giảm,

do đó K giảm Điều đó có nghĩa là cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng nghịch, tức

là phản ứng thu nhiệt

- Đối với phản ứng thu nhiệt (∆H0 > 0), khi nhiệt độ tăng thì - ∆H0/RT tăng,

do đó K tăng Điều đó có nghĩa là cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng thuận, tức làphản ứng thu nhiệt

Như vậy, trong cả hai trường hợp, khi tăng nhiệt độ thì cân bằng đều chuyểndịch về phía phản ứng thu nhiệt Điều này phù hợp với nguyên lí Le Chatelier: Khităng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng thu nhiệt để hấp thụ bớtlượng nhiệt đưa vào hệ, và do đó giảm (chống lại) sự tăng nhiệt độ

d Ảnh hưởng của áp suất:

- Với phản ứng tổng quát: aA + bB  cC + dD

Có:

c P

- Khi ∆n > 0, nghĩa là số phân tử khí ở vế phải của phương trình phản ứnglớn hơn ở phía trái Khi áp suất chung P của cả hệ tăng lên, giá trị của P∆n tăng lên,biến thiên thế đẳng áp ΔnG của hệ trở thành dương Phản ứng sẽ xảy ra theo chiều từphải sang trái Nói cách khác, cân bằng chuyển dịch về phía có số phân tử khí ít hơn

- Khi ∆n < 0, nghĩa là số phân tử khí ở phía trái của phương trình phản ứnglớn hơn ở phía phải Khi áp suất chung P của cả hệ tăng lên, giá trị P∆n giảm xuống,biến thiên thế đẳng áp ΔnG của hệ trở thành âm Phản ứng sẽ xảy ra theo chiều từ tráisang phải Nói cách khác, cân bằng chuyển dịch về phía có số phân tử khí ít hơn

Như vậy, khi tăng áp suất chung của cả hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía

có số phân tử khí ít hơn để chống lại sự tăng của áp suất Và ngược lại, khi giảm ápsuất chung của cả hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía có số phân tử nhiều hơn

4 Cân bằng pha:

a Quy tắc pha Gibbs:

Đây là một định luật quan trọng nhất của cân bằng hóa học trong hệ dị thể

mà trước hết là cân bằng pha Quy tắc pha được phát biểu như sau:

Bậc tự do V của một hệ cân bằng, bằng số cấu tử V trừ đi số pha P cộng 2:

V = C – P + 2 Bậc tự do V cho biết số các thông số có thể thay đổi một cách tùy ý (dĩnhiên trong một giới hạn xác định) mà không xâm phạm vào cân bằng pha của một hệcân bằng

Thí dụ xét cân bằng pha lỏng  hơi của nước nguyên chất Đối với hệ cânbằng này, ở vùng chỉ tồn tại một pha lỏng (hoặc hơi) V = 1 – 1 + 2 = 2 có nghĩa là ta

có thể thay đổi hai thông số T và P một cách độc lập nhau mà vẫn duy trì sự tồn tại củamột pha (lỏng hoặc hơi)

Tại ranh giới phân chia hai pha lỏng – hơi nằm cân bằng với nhau thì: V = 1– 2 + 2 = 1, điều này có nghĩa là ta chỉ có thể thay đổi một thông số (hoặc T hoặc P)

mà vẫn duy trì được hệ cân bằng hai pha

b Cân bằng trong hệ một cấu tử:

Đối với một hệ cấu tử (C=1) cân bằng pha được mô tả bằng phương trìnhClapeyron Clausius:

- H là biến thiên Entanpi: ứng với quá trình chuyển pha (đối với cân bằng

L H thì H là nhiệt hóa hơi; đối với cân bằng R L thì H là nhiệt nóng chảy)

- T là nhiệt độ chuyển pha

- V là biến thiên thể tích trong sự chuyển pha

Đối với sự bay hơi của chất lỏng hay sự thăng hoa của chất rắn, thì phươngtrình (*) có dạng gần đúng như sau:

- C% là nồng độ phần trăm khối lượng (%)

- mct là khối lượng chất tan (g)

- mdd là khối lượng dung dịch (g)

2 Nồng độ mol: C M là số mol chất tan có trong 1lít dung dịch (đơn vị: mol/l)

M

n C V

i

n X

- Là số gam chất tan có trong 1lít dung dịch bão hòa

- Định luật Henry về độ tan của chất khí trong chất lỏng:

Nếu C là nồng độ chất khí trong chất lỏng và P là áp suất riêng của khí thì:C=k.P, với k là hệ số Henry, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

7 Áp suất thẩm thấu:

Định luật Van’Hoff về áp suất thẩm thấucủa dung dịch:

.V = n R T hay:  = R C T

Trong đó: - πP- lnK; πP= : áp suất thẩm thấu (atm)

- n: số mol chất tan (mol)

- V: thể tích dung dịch (l)

- T: nhiệt độ tuyệt đối (0K)

- R: hằng số khí (R = 0,082 atm.l/mol.0K)

8 Định luật Raoult I: “Độ giảm tương đối áp suất hơi bão hòa của dung môi

trên dung dịch bằng phần mol chất tan”

0 0

A

B o

p : là áp suất hơi của dung môi nguyên chất

- pA: là áp suất hơi của dung môi

n X n

 => 0 B

A A

- T s: là độ tăng điểm sôi của dung dịch

- Ks: hằng số nghiệm sôi; với:  0 2

,

ons1000

s s

- mB: nồng độ molan của chất tan

10 Độ hạ băng điểm của dung dịch:

o b b

11 Định luật Raoult II: “Độ tăng nhiệt độ sôi và độ hạ nhiệt độ đông đặc của

dung dịch loãng chất tan không điện ly tỉ lệ thuận với nồng độ molan chất tan trongdung dịch”

0 0

A

B a B o

M

12 Độ điện ly: là đại lượng đặc trưng cho mức độ điện ly của một chất Nó là tỉ

số giữa nồng độ chất đã điện ly với nồng độ hòa tan

14 Hằng số ion hóa của axít – bazơ:

a Hằng số ion hóa của axít:

Chọn nước làm dung môi:

- Chỉ số hidroxyl ( Độ pOH): pOH = - lg[OH-]

a

H O K

d Với dung dịch axít yếu B, nồng độ đầu C o không quá nhỏ (C o » 10 -7 )

Bỏ qua quá trình ion hóa của nước, ta có:

-[B] = Co - [OH-]  [HB+] = [OH-]

2 0

b

OH K

16 Tính chất axít – bazơ của các dung dịch muối:

- Dung dịch muối cation bazơ mạnh – anion axít mạnh là dung dịch trungtính

- Dung dịch muối cation bazơ mạnh – anion axít yếu có tính kềm

- Dung dịch muối cation bazơ yếu– anion axít mạnh là dung dịch có tínhaxít

17 Dung dịch đệm:

Tính pH của dung dịch đệm:

20 Phản ứng trao đổi ion:

Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch xảy ra theo chiều tạo thành sản phảm

là chất ít tan, chất ít điện ly và chất dễ bay hơi

Chương III: ĐỘNG HÓA HỌC

I/ Động học của các phản ứng đơn giản và phức tạp:

1.Các khái niệm và định nghĩa cơ bản:

a Phản ứng đồng thể - Phản ứng dị thể:

Các phản ứng hóa học có thể là đồng thể hay dị thể Phản ứng được gọi là đồng thể khi chúng diễn ra trong hệ một pha Đó là phản ứng giữa các chất khí, giữa

các chất lỏng hoàn toàn trộn lẫn với nhau, các phản ứng trong dung dịch Phản ứng

đồng thể bao giờ cũng diễn ra trong toàn bộ thể tích của hệ phản ứng Các phản ứng dị thể diễn ra giữa các chất ở những pha khác nhau: rắn – lỏng, khí – lỏng… Trong

trường hợp này, phản ứng chỉ diễn ra ở ranh giới phân chia các pha của hệ

b Tốc độ phản ứng đồng thể:

Tốc độ của một phản ứng hóa học đồng thể là biến thiên lượng chất trongmột đơn vị thời gian, trong một đơn vị thể tích Đối với phản ứng hóa học đồng thểxảy ra ở thể tích không đổi, tốc độ của quá trình tính theo chất nào đó là biến thiênnồng độ của chất đó trong một đơn vị thời gian

Người ta phân biệt hai loại tốc độ phản ứng: tốc độ trung bình và tốc độ tức thời.

(dấu“–”được dùng để chov tbcó trị số dương)

Trong đó: C: là nồng độ mol (mol/lít)

t: là thời gian (giây, phút, giờ)

- Tốc độ tức thời:

Trong đó: k: là hằng số tốc độ phản ứng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

α , β: là bậc riêng phần đối với các chất A, B

Tổng n    gọi là bậc của phản ứng

α , β có thể bằng không hoặc bằng hệ số tỉ lượng

* Nếu phản ứng đơn giản:  a và  b

c Phương pháp dựa vào chu kì bán hủy:

Làm thí nghiệm nhiều lần với các giá trị nồng độ ban đầu a khác nhau màvẫn thấy t1/2 có giá trị không đổi thì có thể kết luận phản ứng nghiên cứu có bậc 1

Đối với các phản ứng khác có n ≠ 1 và có nồng độ ban đầu a như nhau thìnữa phản ứng được xác định bởi công thức:

/  

- Lần thứ 2 với nồng độ ban đầu a' ta có: 1 2 kn-1

t a'

' / 

 

n 1 n-1

1/2

n-1 1/2

1/2 1/2

1/2 1/2

n = 1 +

a' lg a

Ở thời điểm t = 0, v = vo là tốc độ đầu Vì phản ứng xảy ra chậm nên có thể

đo tốc độ đầu vo ở những thời điểm t gần t = 0, rồi ngoại ruy cho tới t = 0

1 2

k k

Trong đó (x - y) là nồng độ chất trung gian, y là nồng độ của sản phẩm cuối,

k1, k2 là các hằng số tốc độ của giai đoạn 1 và 2

Phương trình động học dạng tích phân:

1 2

k t k t 1

k ln k t

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng:

Theo quy tắc kinh nghiệm của Van’Hoff thì mỗi khi nhiệt độ tăng thêm 10

độ thì hằng số tốc độ tăng và do đó tốc độ phản ứng tăng lên từ 2 đến 4 lần:

10 2 4

t t

k k

Một cách định lượng, Areniut cũng đã thiết lập được sự phụ thuộc của hằng

số tốc độ k vào nhiệt độ dưới dạng vi phân:

2

ln

dT RT

Ở đây E là năng lượng hoạt hóa

Phương trình Areniut còn được viết dưới dạng khác:

E RT

k A e

Với A là thừa số Areniut và có cùng thứ nguyên với hằng số tốc độ Thừa số

A còn biểu thị tần số va chạm giữa các phân tử của các chất tác dụng

Để xác định năng lượng hoạt hóa E, ta có thể sử dụng một trong các phươngpháp sau:

Lý thuyết đầu tiên về tốc độ phản ứng khẳng định rằng, để hai phân tử A và

B có thể phản ứng với nhau thì trước hết phải có sự va chạm giữa hai phân tử và tốc độphản ứng sẽ phụ thuộc vào số va chạm này Đối với phản ứng giữa hai phân tử khícùng loại kiểu 2A C + D, thuyết động học chất khí cho phép ta thiết lập được biểuthức về tần số va chạm, tức là số va chạm trong đơn vị thời gian và quy về đơn vị thểtích:

ở đây n là số phân tử chất A trong đơn vị thể tích;  là bán kính va chạm; M

là khối lượng phân tử

Nếu va chạm xảy ra giữa hai phân tử khác loại dạng:

A + B  C + Dthì số va chạm sẽ bằng:

1/2 2

AB

8

tốc độ và hằng số tốc độ phải được hiệu chỉnh bằng cách đưa thêm một đại lượng P –gọi là thừa số không gian, khi ấy:

là các chất đầu, C và D là các sản phẩm, X là phức chất hoạt động (sản phẩm trunggian trước khi phân hủy thành sản phẩm) thì cân bằng sau được thiết lập:

A + B  X  C + DTốc độ hình thành sản phẩm được xác định bằng tốc độ của sự chuyển phứcchất hoạt động sang trạng thái chuyển tiếp Nếu G

 là biến thiên thế đẳng áp ứng vớihai trạng thái đều và phức hoạt động thì hằng số tốc độ được xác định bằng biểu thức:

S E

với n là phân tử số của phản ứng

III Phản ứng quang hóa và phản ứng dây chuyền:

Năng lượng của 1 photon bằng:

ở đây NAvo là số Avogadro

Giai đoạn sơ cấp của phản ứng hóa học trong vùng bức xạ trên luôn tuântheo định luật này

Hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:

= số phân tử chất phản ứng chuyển hóa/số photon hệ hấp thụ

Trong đó: n là số phân tử chất đã phản ứng tại thời điểm t

 là hiệu suất lượng tử

b Động học của phản ứng dây chuyền:

Một cách nghiêm ngặt thì không thể miêu tả phản ứng dây chuyền bằng mộtphương trình tỉ lượng Chất đầu bị tiêu thụ và sản phẩm được hình thành trong giaiđoạn phát triển mạch Vì vậy, tốc độ phản ứng được tính theo một cấu tử nào đó bằngtốc độ giai đoạn phát triển mạch trong đó cấu tử nghiên cứu bị tiêu thụ hoặc được hình

thành Nếu một mắt mạch gồm hai phản ứng sơ cấp, trong mỗi phản ứng đều có sự tiêuthụ chất đầu và tạo thành sản phẩm, nghĩa là:

Khi đó tốc độ hình thành gốc R1 

và R2  tương ứng sẽ là:

Vai trò của xúc tác trong phản ứng hóa học là đưa phản ứng đi theo conđường thuận lợi hơn về mặt năng lượng bằng cách tạo ra sản phẩm trung gian với ítnhất một trong các chất phản ứng

Xúc tác là đồng thể khi chất xúc tác nằm cùng pha với các chất tham giaphản ứng Một số chất xúc tác đồng thể thường dùng là các dung dịch axit, bazo, muốicủa các kim loại chuyển tiếp

Xúc tác là dị thể khi chất xúc tác nằm không cùng pha với các chất tham giaphản ứng Chất xúc tác dị thể thường là chất rắn, phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặtchất xúc tác Các chất xúc tác dị thể thường gặp là các kim loại chuyển tiếp, các oxitkim loại, …

Mọi phản ứng giữa các chất khí xảy ra trên bề mặt chất xúc tác rắn đều cóthể chia ra làm 5 giai đoạn nối tiếp nhau:

1 Chất phản ứng chuyển tới bề mặt chất xúc tác.

2 Hấp phụ các chất phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.

3 Phản ứng trên bề mặt.

4 Khử hấp phụ sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt.

5 Sản phẩm phản ứng chuyển khỏi bề mặt vào thể tích pha khí.

Tốc độ chung của quá trình được quyết định bởi giai đoạn chậm nhất Trongxúc tác dị thể quá trình chuyển chất từ thể tích đến bề mặt chất xúc tác (sự khuếch tán)rất quan trọng Tốc độ quá trình này tuân theo phương trình sau:

P là áp suất hơi của chất phản ứng

- Khi có đồng thời 2 chất được hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác, phươngtrình tốc độ phản ứng bề mặt có dạng:

Trong phản ứng oxi hóa khử bao giờ cũng có hai quá trình:

- Quá trình oxi hóa: có sự nhường electron.

2 Cân bằng phản ứng oxi hóa khử:

a Phương pháp thăng bằng electron:

Cơ sở của phương pháp là số electron mà chất khử mất đi trong phản ứngbằng đúng số electron mà chất oxi hóa nhận được

Hay: 2HNO3 + 3H2S  2NO + 3S + 4H2O

b Ph ương trình nửa phản ứng ion - electron : Phương pháp thích ứng cho

các phản ứng oxi hóa khử trong dung dịch

Hay: 2KMnO4 + 5H2S + 3H2SO4  2MnSO4 + 5S + K2SO4 + 8H2O

II/ Dung dịch điện phân:

1 Cân bằng trong dung dịch điện phân:

a Sự điện li:

Theo Areniut, đối với một chất điện phân M A  đã cho cân bằng sau sẽ

M A   M  A (*)Cân bằng này được đặc trưng bằng hằng số phân li KC:

Một thông số định lượng nữa của chất điện phân trong dung dịch là độ điện

li  , đó là tỉ số giữa số phân tử phân li và tổng số phân tử chất điện phân Giữa  và

KC có mối liên hệ biểu thị bằng phương trình: