hệ thống các câu hỏi và bài tập phần “cơ sở lý thuyết các phản ứng hóa học” ở bậc trung học phổ thông

* Học sinh cần dựa vào định luật Hes với phương pháp tổ hợp các phươngtrình nhiệt hóa học để xác định nhiệt phản ứng.*Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về tốc độ phản ứ

II.1.1 Chương IV: Lý thuyết về phản ứng hóa học

a Nội dung cơ bản

* Về mặt kiến thức: Giúp học sinh nắm được các kiến thức:

- Định nghĩa hiệu ứng nhiệt của một phản ứng

- Định nghĩa: Năng lượng liên kết E, nhiệt tạo thành H của hợp chất,nhiệt phân huỷ (H’ = - H), nhiệt hoà tan chất …

- Nội dung và hệ quả của định luật Hes (Hess)

- Nguyên lý I, II của nhiệt động học; năng lượng tự do Gip

- Tốc độ phản ứng hóa học (định nghĩa, các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độphản ứng) Định luật Gunbe – Vagơ (định luật tác dụng khối lượng trong độnghóa học)

- Khái niệm về năng lượng hoạt hoá, quy tắc Van Hôp

- Khái niệm phản ứng thuận nghịch – bất thuận nghịch, trạng thái cân bằng,hằng số cân bằng Định luật tác dụng khối lượng (đối với phản ứng thuận nghịch)

- Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, nguyên lý Lơ Satơliê vềchuyển dịch cân bằng

* Về mặt kỹ năng: Giúp học sinh có được các kỹ năng sau:

- Cách xác định nhiệt phản ứng hóa học

+ Dựa vào năng lượng liên kết

+ Dựa vào nhiệt hình thành (nhiệt sinh, sinh nhiệt) của hợp chất

+ Dựa vào định luật Hes (có 2 phương pháp là chu trình và tổ hợp cácphương trình nhiệt hóa học)

- Vận dụng 2 nguyên lý của nhiệt động học

+ Tính biến thiên entanpi H, biến thiên entropi S, biến thiên năng lượng

tự do Gip G với phản ứng hóa học

chất hay điều kiện chuẩn: khi p = 1atm, trạng thái bền nhất của chất ở điều kiệnđó)

+ Từ năng lượng tự do tính hằng số cân bằng và ngược lại, của phản ứngxét ở điều kiện chuẩn

- Viết được phương trình động học của phản ứng hóa học (nội dung củađịnh luật Gunbe – Vagơ) chú ý đến đơn vị tốc độ phản ứng.

- Vận dụng quy tắc Van Hôp xét xem tốc độ phản ứng tăng hay giảm ở 2nhiệt độ T1, T2

+ Trong pha khí: Kp (gần đúng ta dùng áp suất riêng phần Pi)

* Biểu thức tổng quát và liên hệ giữa các HSCB

   

   a b

d c c

B A

D C K

.

.

b B

a A

d D

c C

P P K

.

.

b B

a A

d D

c C x

x x

x x K

điểm cân bằng hóa học thiết lập

n = (c + d) – (a + b)+ Cân bằng hóa học bao gồm cả chất rắn: dùng Kp, Kc

b Câu hỏi và bài tập

Trong khuôn khổ cho phép của đề tài, dưới đây chúng tôi chỉ phân tích các

* Học sinh cần dựa vào định luật Hes với phương pháp tổ hợp các phươngtrình nhiệt hóa học để xác định nhiệt phản ứng.

*Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về tốc độ phản

ứng; kỹ năng viết phương trình động học của phản ứng; thể tích hay nồng độ ảnhhưởng đến tốc độ phản ứng

* Hướng dẫn giải:

Ta có: 2SO2+ O2 2SO3

1 2

Ví dụ 5:

* Đề bài: Nếu ở 1500C, một phản ứng nào đó kết thúc sau 16 phút, thì ở

của phản ứng trong khoảng nhiệt độ đó là 2,0

* Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh vận dụng quy tắc Van Hôp, tính

thời gian sau từng nhiệt độ cho trước

Khi cho 1 mol A tác dụng với 1 mol B thì hiệu suất cực đại của phản ứng

* Mục đích của đề: Yêu cầu học sinh tính lượng chất sau phản ứng, tính

hằng số cân bằng, vận dụng nguyên lý Lơ Satơliê

* Hướng dẫn giải:

C, D là: 0,6667 molTổng số mol chất: 2 mol

+ Ở đây n = 0  Kc = Kp = Kx = 4

b) Gọi x: lượng chất cực đại phản ứng (A)

B là (1 – x)

C, D là x+ Tìm ra x dựa vào Kc = 4

x = 0,90 hay 90%

c) Do H = 0 Vậy khi tăng nhiệt độ cân bằng thực tế không bị dịchchuyển, nhưng tốc độ phản ứng nhanh hơn, nghĩa là phản ứng đạt tới trạng tháicân bằng nhanh hơn

Ví dụ 26:

* Đề bài: Trong công nghệ hoá dầu, các ankan được loại hiđro để chuyển

thành hiđrocacbon không no có nhiều ứng dụng hơn Hãy tính nhiệt của mỗiphản ứng sau đây:

* Mục đích của đề: Giúp học sinh vận dụng kỹ năng tính nhiệt phản ứng

dựa theo năng lượng liên kết, chú ý cân bằng phương trình phản ứng

* Hướng dẫn giải:

với C4H10  C4H6 + 2H2 (1) tính được H10 = 437,6 kJ

6CH4  C6H6 + 9H2 (2) tính được H20 = 581,1 kJ

Ví dụ 27:

* Dạng đề giúp học sinh nắm vững lý thuyết về nguyên lý chuyển dịch cânbằng - các yếu tố ảnh hưởng, kỹ năng tính HSCB và lượng chất trong hệ (cân bằng).

* Hướng dẫn giải:

1 Ví dụ phản ứng este hoá:

CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O+ Để phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng cần:

Dùng xúc tác là axit (HCl, H2SO4)Tăng nhiệt độ vừa phải

+ Biện pháp chuyển dịch cân bằng về phía tạo thành este:

Tăng nồng độ của axit hoặc rượuGiảm lượng chất sau phản ứng (lấy bớt sản phẩm ra)2.Tính HSCB:

C K

+ Lượng este tăng lên là  1,44 lần

* Dạng đề thi với mục đích là : giúp học sinh nắm vững lý thuyết về hằng

số cân bằng, sự chuyển dịch cân bằng khi các yếu tố thay đổi Mặt khác, tổnghợp các kỹ năng: tính hằng số cân bằng theo độ điện li , áp suất P và ngược lại ;tính năng lượng tự do G0 theo H0, S0 ; áp dụng quan hệ Kp và Kc để tínhlượng chất…

Ví dụ 28 :

* Đề bài : Sunfurylđiclorua SO2Cl2 là hoá chất phổ biến trong phản ứngclo hoá Tại 3500C, 2 atm phản ứng:

SO2Cl2(k) SO2(k) + Cl2(k) (1) có Kp = 50

đơn vị như vậy

2 Tính % theo thể tích SO2Cl2(k) còn lại khi (1) đạt tới trạng thái cân bằng

ở điều kiện đã cho

3 Ban đầu dùng 150 mol SO2Cl2(k), tính số mol Cl2(k) thu được khi (1) đạttới cân bằng Các khí được coi là khí lí tưởng (k: khí)

*Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh vận dụng kỹ năng tính HSCB của

phản ứng từ đó tính số mol,% theo thể tích của chất

* Hướng dẫn giải:

2 2

2 2





Cl SO

Cl SO P

P

P P

+ Số mol SO2Cl2(k) còn lại là 1 -  = 0,0194 mol Do vậy % theo thểtích SO2Cl2(k) còn lại là 0,98%.

Cách 2: SO2Cl2(k) SO2(k) + Cl2(k) (1) Kp = 50 atm

2 2

k

Cl SO

suất: % theo số mol cũng như % theo thể tích)

3 Ban đầu dùng 150 mol SO2Cl2(k), số mol Cl2(k) lúc cân bằng

09 , 147 9806 , 0 150 2

2 2

T (K) để xảy ra phản ứng phân li PCl5 Sau khi đạt tới cân bằng áp suất khí trongbình bằng P

a) Hãy thiết lập biểu thức của KP theo độ phân li  và áp suất P

b) Thiết lập biểu thức của KC theo , m, V

PCl5 vào bình dung tích V1 Sau khi đạt tới cân bằng đo được P1 = 2,700 atm.Hỗn hợp khí trong bình có tỉ khối so với H2 bằng 68,862 Tính  và Kp

3 Trong thí nghiệm 2 giữ nguyên lượng PCl5 và nhiệt độ như ở thí nghiệm 1nhưng thay dung tích là V2 thì đo được áp suất cân bằng là 0,500 atm Tính tỉ số

4 Trong thí nghiệm 3 giữ nguyên lượng PCl5 và dung tích bình V1 như thí

bằng là 1,944 atm Tính Kp và  Từ đó cho biết phản ứng phân li PCl5 thu nhiệthay phát nhiệt

Cho: Cl = 35,453; P = 30,974; H = 1,008 Các khí đều là khí lý tưởng

*Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh thiết lập biểu thức liên hệ hằng số cân

bằng theo độ phân li, áp suất, thể tích, khối lượng.Từ đó tính các đại lượng liênquan

Trong đó: ;

239 , 208

x a

x a

x P

PCl

Cl PCl

1

.

2 2

5

2 3

2 2

5

2 3

V

m V

a PCl

Cl PCl

2 2

V

m V

a RT

30 , 83

2 1

2 1

2 1

- Giữ nguyên nhiệt độ : KP không đổi

- Áp suất cân bằng P2 = 0,500 atm

2 2

2 2

RT n

1

1 1

P

RT n

V 

489 , 6

2

1 1

2 1



P

P n

n V

V

lần

4 Thí nghiệm 3:

- Thay đổi nhiệt độ: KP thay đổi (T3 = 0,9T1)

- Giữ nguyên số mol PCl5 a = 0,400 và V1

9 , 0 1 4 , 0 7 , 2

944 , 1 9 , 0

1

3 1

3 3



* Tính K P3

081 , 0

1 2 33

3 3

nghịch – là chiều phát nhiệt Chiều thuận là chiều thu nhiệt

Ví dụ 30: [12, đề 2001 – 2002]

* Đề bài: Tại 250C phản ứng: 2N2O5(k)  4NO2(k) + O2(k) có hằng số tốc độ

k = 1,8.10-5.s-1; biểu thức tính tốc độ phản ứng v = k.C N2O5 Phản ứng trên xảy ratrong bình kín thể tích 20,0 lít không đổi Ban đầu lượng N2O5 cho vừa đầy bình Ởthời điểm khảo sát, áp suất riêng phần N2O5 là 0,070 atm Các khí đều là lí tưởng

1 Tính tốc độ:

a) Tiêu thụ N2O5

b) Hình thành NO2, O2

2 Tính số phân tử N2O5 đã bị phân tích sau 30 s

3 Nếu phản ứng trên có phương trình 2N2O5(k)  2NO2(k) + 1/2 O2(k) thì trị

số tốc độ phản ứng, hằng số tốc độ phản ứng có thay đổi không? Giải thích?

* Mục đích của đề: Giúp học sinh củng cố kiến thức về tốc độ phản ứng;

kỹ năng: viết phương trình động học của phản ứng, biểu thị và tính tốc độ hìnhthành, tốc độ tiêu thụ, tính số phân tử bị phân tích, mặt khác tại nhiệt độ T xác

070 , 0

5 2 5 2 5 2

htO2 2 vpư = 5,16.10-8 mol.l-1.s-1

2 Tính số phân tử N2O5 bị phân tích sau thời gian t: N N2O5

3 Phương trình N2O5(k)  2NO2(k) + 1/2O2(k)

Tại nhiệt độ T xác định, tốc độ phản ứng vpư và k đều không đổi vì :

+ k chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ+ Theo (1), khi k = const, C N2O5 = const thì v = const

b) Tính chu kỳ bán huỷ t1/2 của phản ứng (1)

2 Chứng minh rằng đối với phản ứng một chiều bậc 2

2A  sản phẩm có t1/2 = k.1aTrong đó: a là nồng độ ban đầu của A (ở t = 0).

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh viết được phương trình động học của

phản ứng, tính nồng độ và thời gian của chất bị chuyển hoá, tính thời gian nửaphản ứng; chứng minh biểu thức tính t1/2 của phản ứng

Hướng dẫn giải:

1 a) Gọi thời gian để 30% BrO- bị chuyển hoá là t1

99% BrO- bị chuyển hoá là t2

3

dx

2

C kt x

a  

Khi t = 0  x = 0  C = a1

a x a

Bài 9: Cho phản ứng “khí nước”

CO2 + H2 CO + H2Oa) Tính G0 của phản ứng ở 1000 K, biết H0 và S0 ở 1000 K lần lượtlà: 35040 J.mol-1; 32,11 J mol-1.K-1

tích hơi nước được nung nóng tới 1000 K

Xác định thành phần hỗn hợp (theo % thể tích) ở trạng thái cân bằng

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính G0, HSCB KC, KP của phảnứng ở 1000 K từ đó xác định thành phần hỗn hợp theo % thể tích của chất tronghỗn hợp

đó có phù hợp với nguyên lý Lơ Satơliê không?

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính G0của phản ứng, tính KP ở 2nhiệt độ bất kỳ, vận dụng nguyên lý Lơ Satơliê để giải thích kết quả

Hướng dẫn giải:

298

0 298

nhận được xuất phát từ a mol N2O4 tinh khiết.

a) Gọi  là độ phân li của N2O4:  =

Tính số mol NO2, N2O4 và tổng số mol của hệ khi cân bằng theo a và .b) Tính áp suất riêng phần của NO2, N2O4 theo  và áp suất tổng cộng Pcủa hệ khi cân bằng

d) Nếu ban đầu có 1,588 g N2O4 trong bình dung tích 0,5 lít, ở 250C và ápsuất P lúc cân bằng là 760 mmHg thì , KP, áp suất riêng phần của NO2, N2O4 làbao nhiêu?

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh thiết lập và tính số mol, áp suất riêng

phần của chất, tính HSCB KP ở điều kiện cụ thể

b) Áp suất riêng phần của N2O4, NO2:

2

O N

NO P









d) + Đã biết: a = 0,01726 mol; V = 0,5 lít; P = 1 atm



T R

PV n

a) Thiết lập biểu thức HSCB KP là dạng một hàm của độ phân li  và ápsuất chung P.

b) Xác định KP, KC,G0 của phản ứng (1) ở 333 K,  = 0,525

c) Xác định H, S của phản ứng (1) ở 333 K Cho biết ở 373 K có KP = 14,97

nào khi P từ 1 atm giảm còn 0,8 atm ?

e) Để  đạt tới 8% thì phải nén hỗn hợp khí tới áp suất nào ? Nhận xét vềchiều của phản ứng (1)

Mục đích của bài : Yêu cầu học sinh thiết lập biểu thức tính KP theo ,

P ; xác định KP, KC, G0, H, S của phản ứng ở điều kiện cụ thể, áp dụngnguyên lí Lơ Satơliê để xác định chiều phản ứng

d) Thay  = 0,11 vào tính được KP = 0,049

Khi P từ 1 atm giảm còn 0,8 atm, độ phân li  tăng cân bằng (1) chuyểndịch theo chiều từ trái sang phải

36% NH3 dưới áp suất 300 atm, 4500C

b) Ở 4500C phải dùng áp suất bao nhiêu để đạt 50% NH3

của cân bằng (1)

Mục đích của bài: Giúp cho học sinh có kĩ năng tổng hợp: chứng minh giả

luật KiecHoff), tìm áp suất, và xét chiều phản ứng

Hướng dẫn giải:

1.a) Phản ứng: N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k)(1)

3 2

2 4

3

2 2 3

2

.

.

3 2

P x P

P

P

H N

NH H

3 ln 3 ln ln

2 3

2

H

H N

N NH

NH

x

dx x

dx x

dx dx

dx

x x

x

H N

NH

H N

NH

1

0 1

2 2

3

2 2

2 3

0 1

H N H

N NH

dx

+ Thay (a) vào (3) được: x H2  3x N2

Do vậy tỉ lệ phần mol của N2 : H2 là 1 : 3

b) + Ta có:

B T

A R

S RT

H

1 0

A R

S RT

H

2 0

1 1 ln

1

2

T T

A K

A K

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: G = 0  lnK = 0

hay T = 595,3 KVậy nhiệt độ của sự chuyển hoá trên là 595,3 K

+ Ta có:

2 3

2

.

2 2

3 1



x x

x K

H N

Thay các giá trị vào (2) ta tính được: P = 683 atm

ln 1

2

T T R

H K

Phản ứng (1) là toả nhiệt H0 < 0), KP tỉ lệ nghịch với T

trái sang phải (tạo NH3)

Bài 14:

lớn nhất nếu xuất phát từ hỗn hợp có tỉ lệ N2 : H2 là 1 : 3 theo số mol

2 a) Dùng số liệu nhiệt động dưới đây:

J

nhiệt độ nào phản ứng đổi chiều ?

nào ? Vì sao ?

4 Tính xem cần phải tiến hành phản ứng ở áp suất là bao nhiêu để hiệu

hiện ở 4500C và tỉ lệ mol của N2 : H2 là 1 : 3 ?

Mục đích của bài : Yêu cầu học sinh chứng minh giả thiết, tính G0 củaphản ứng, tìm nhiệt độ phản ứng đổi chiều, tính áp suất ở điều kiện bất kỳ

Hướng dẫn giải:

1 Từ tỉ lệ N2 : H2 là 1 : 3 theo số mol hay x H2  3x N2

3 2

Lấy Nêpe 2 vế của (2), biến đổi ta có :

2 2 2

2 3

2 ln

H

H N

N NH

NH

dx x

dx x

T

dx dx

dx

x x

x

H N

NH

H N

NH

,

0 1

2 2

3

2 2

2 3

0 1

H N H

N NH NH

dx dx dx

dx

dx

Thay (4) vào (3) được : x H2  3x N2 (hợp lý)

Vậy xuất phát từ hỗn hợp có tỉ lệ N2 : H2 là 1 : 3 theo số mol (x H2  3x N2) ở

0



b) Phản ứng đổi chiều ở nhiệt độ T > 466 K

3 Dựa theo nguyên lí Lơ Satơliê, cần tiến hành phản ứng ở áp suất cao

4 + Lập biểu thức liên hệ KP theo Kx và P

KP = Kx P-2

+ Tính : Kx, KP thay vào biểu thức tìm được P = 5284 atm

Bài 15 : Photphopentaclorua phân huỷ theo phương trình :

PCl5(k) PCl3(k) + Cl2(k)(1)

Khi cân bằng thiết lập có áp suất là 1,25 atm ở thể tích, nhiệt độ không đổi

hệ

b) Lập biểu thức liên hệ giữa độ phân li  và áp suất chung của hệ lúc cânbằng PCB

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính được các đại lượng: độ phân li ,

HSCB KP, số mol, áp suất riêng phần của từng cấu tử; thiết lập biểu thức liên hệgiữa , và KCB

Số mol khí trước cân bằng: nt = 0,3 ứng với Pt

Số mol sau cân bằng: nS = 0,3 + x ứng với Ps

+ Vì V, T không đổi nên:

s

t s

t

P

P n

n

 075 , 0 25

, 1

1 3

, 0

3 , 0

mol Cl

PCl

225 , 0

075 , 0

5

2 3

075 , 0 3 , 0

225 , 0 25 , 1

075 , 0 25 , 1

PCl

Cl PCl

5

2 3





(có thể tính Kp theo Kx)

b) Biểu thức liên hệ giữa  và PCB:

+ Gọi áp suất ban đầu là Pt ứng với số mol nt

Áp suất lúc cân bằng là PCB với số mol nCB

+ Ta có tỉ lệ:

t

t CB CB CB

t CB

t

n

P n P n

n P

t CB n

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính được HSCB KP của phản ứng, ápsuất nguyên lý Lơ Satơliê xét các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng.





Thay các giá trị , P vào biểu thức (*) tính được KP = 0,049

b) Áp suất giảm từ 1 atm xuống 0,8 atm, độ phân li  tăng do: KP = 0,049,

P = 0,8 atm tính được  = 0,123 hoặc : Khi áp suất giảm cân bằng (1) chuyểndịch theo chiều thuận hay chiều tăng số phân tử khí

c) Độ phân li  = 0,08, KP = 0,049

tăng từ 1 atm lên 1,9 atm cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều nghịch

Kết quả nhận được phù hợp với nguyên lý Lơ Satơliê

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tổ hợp phản ứng tính các đại lượng:

nguyên lý Lơ Satơliê xét chiều phản ứng

b) T = 1000K, p = 1atm

atm

P CO 0 , 331

c) Do H0 < 0, S0 < 0: Phản ứng (a) là phản ứng toả nhiệt

+ Khi tăng nhiệt độ, cân bằng (a) chuyển dịch theo chiều thu nhiệt haychiều nghịch

+ Khi tăng áp suất, cân bằng (a) chuyển dịch theo chiều làm giảm số phân

tử khí hay chiều thuận

0

) ( 86 , 0

1250 2

/

atm K

J G

G P

a b

J G

G

P

a C

35 , 1

2500

0 0

Bài 18: Trộn CO với hơi H2O tại 1000K theo tỉ lệ mol 1 : 1 Tính thànhphần của hỗn hợp đạt tới trạng thái cân bằng

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh xác định phản ứng xảy ra, từ đó tính

thành phần hỗn hợp đạt tới trạng thái cân bằng

- Sử dụng hệ thống các câu hỏi và bài tập trên vào việc khắc sâu kiến thứctrọng tâm, rèn luyện kỹ năng cơ bản của từng chương nhằm nâng cao chất lượnggiảng dạy; thúc đẩy quá trình học tập, tìm tòi sáng tạo của học sinh.

- So sánh kết của của lớp thực nghiệm với kết quả của lớp đối chứng Từ

đó xử lý, phân tích kết quả để đánh giá khả năng áp dụng hệ thống các câu hỏi vàbài tập trên do chúng tôi đề xuất cũng như cách sử dụng nó trong việc giảng dạy

ở các lớp chuyên Hoá và bồi dưỡng học sinh chuẩn bị dự thi học sinh giỏi Hoá ởcác cấp hiện nay

IV.1.2 Phương pháp thực nghiệm

a Chọn đối tượng và địa bàn thực nghiệm

Để tiến hành thực nghiệm tốt những nội dung đã được biên soạn ở chương

II, III; chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm ở các đối tượng là học sinh trườngTHPT chuyên có uy tín và chất lượng tốt

Cụ thể là:

Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong – Nam Định được gọi là trường A

Trường THPT chuyên Nguyễn Huệ – Hà Đông – Hà Tây được gọi là trường B

Mỗi trường đều có loại lớp ở khối 11 và khối 12

+ Lớp dạy theo phương pháp bình thường được gọi là lớp đối chứng (ĐC).+ Lớp dạy theo phương pháp sử dụng hệ thống câu hỏi và bài tập trênđược gọi là lớp thực nghiệm (TN)

Đặc biệt: Tiến hành thực nghiệm đối với đổi tuyển dự thi học sinh giỏi QuốcGia của trường THPT chuyên Lê Hồng Phong –Nam Định năm học 2003-2004

b Phương pháp tiến hành thực nghiệm