Một số dạng bài tập phần cơ sở lý thuyết các phản ứng hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi ở bậc trung học phổ thông

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

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 ứng

- 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

* Kc, Kp, Kx

+ 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

.



Pi: áp suất riêng phần.

b B

a A

d D

c C p

P P

P

P

K

.



=

Kp = Kc (RT)n

điểm cân bằng hóa học thiết lập

n = (c + d) – (a + b)

b B

a A

d D

c C x

x x

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

*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

+ Kết luận: Tốc độ của phản ứng tạo SO3 tăng 27 lần

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

Phản ứng kết thúc sau thời gian t2 = phút

*Vậy nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng nhanh còn thời gian kết thúc cànggiảm

0 2

16

5 

c) Cân bằng bị dịch chuyển như thế nào khi tăng nhiệt độ, biết nhiệt phảnứng H = 0?

* 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

+ 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:

+ + 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

c a

C K

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

50

.

2 2

2 2





Cl SO

Cl

SO P

P

P

P K

50 1

+ Dựa vào biểu thức tính tính được P = 0,9902 atm

+ áp suất lúc cân bằng: atm

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

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

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

50 2

0

) (

2

k

Cl SO

P

09 , 147 9806

, 0

150

222

2  SO  SO Cl     

Cl n n

n

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

2

V

V

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:

* Tính KP

+ áp suất riêng phần lúc cân bằng của mỗi khí

; 239

, 208

+ HSCB KP =

* Tính KC (có 2 cách)Cách 1: + Tính nồng độ cân bằng của mỗi khí

;

.

x a

P PCl Cl

2 3







P P

P P

PCl

Cl PCl

1









a Cl

, 208 1

2 2

a PCl

, 208 1

2 2

V

m V

a RT

K

K P

C

+ Số mol PCl5 ban đầu: a = mol

400 ,

0 239

, 208

30 ,

83



M

+ Khối lượng trung bình của hỗn hợp lúc cân bằng

62,826 x 2,016 = 138,753 g/mol+ Tổng số mol khí lúc cân bằng

tính được 1= 0,500

* Tìm KP tại nhiệt độ T1

3 Thí nghiệm 2 :

- giữ nguyên nhiệt độ : KP không đổi

- áp suất cân bằng P2 = 0,500 atm

* Ta có:

tính được 2 = 0,802+ Tổng số mol lúc cân bằng

0

2 1

2 1

2 1

0 50

,

0 1

.

2 2 2

2 2

2 2

2

1 1

2 1

n V

V

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

9 , 0 1

4 ,

0 7

, 2

944 ,

1 9

, 0

1

3 1

0

3 3



* Nhận xét: Khi hạ nhiệt độ, KP giảm làm cân bằng chuyển dịch theo chiềunghịch – là chiều phát nhiệt Chiều thuận là chiều thu nhiệt.

Ví dụ 30: [12, đề 2001 – 2002]

081 ,

0

.

3 3

* 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 Phản ứng trên xảy ra trongbình kín thể tích 20,0 lít không đổi Ban đầu lượng N2O5 cho vừa đầy bình ở thờiđiểm 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

5

N

C

2 298

082 ,

0

070 ,

0

5 2 5

2 5

n

C N O N O N O

- Tính tốc độ tiêu thụ N2O5: + 2N2O5(k)  4NO2(k) + O2(k)

+ vpư = - 2.5,16.10-8 = -1,032.10-7 mol.l-1.s-1 (3)

5

2 O ttN

v

2

5 2

5

dt dC

v htNO NO

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

5

N

+ Theo(1), khi k = const,

= const thì v =const

* Nhận xét:Các giá trị k xấp xỉnhau nên phản ứng(1) thuộc bậc 2

b) Hằng sốtốc độ phản ứng

5

2 O N

C

k

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

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

8612 ,

a k.

1

34

2A  sản phẩm có t1/2 = Trong 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

a k

Thay các giá trị a, a – x, k tìm được: t1 = 4608,3 s (76,8 phút)

t2 = 106,45.104 s (1,77.104 phút)

a k.

1

b) Chu kỳ bán huỷ : t1/2 = + Tính được t1/2 = 10753 s (179,2 phút)

2 Chứng minh :+ Gọi x là lượng A phản ứng

x a

hay (*) Phương trình tốc độ dạng vi phân.

+ Lấy tích phân của (*):

k dt

dx

.

2

hay (**) Phươngtrình tốc độ dạng tích phân.

a t

+ Khi x = thì k = hay t1/2 = (Điều phải chứng minh)

Bài 9: Cho phản ứng “khí nước”

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính , HSCB KC, KP của phản ứng ở

1000 K từ đó xác định thành phần hỗn hợp theo % thể tích của chất trong hỗnhợp

Hướng dẫn giải:

0

G



a) áp dụng biểu thức:

0 0

và (J.K-1.mol-1) của CH4(k) là 186,19; của C(gr) là 5,69; của H2(k) là 130,59.

0 298

S

a) Tính của phản ứng ở nhiệt độ 298 K.

b) Phản ứng có lnKp = - 15,17 – 7905,73 T-1 + 3,68 lnT

đó có phù hợp với nguyên lý Lơ Satơliê không?

0

G



Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính của phản ứng, tính KP ở 2 nhiệt

độ bất kỳ, vận dụng nguyên lý Lơ Satơliê để giải thích kết quả

0 298

0

298 H T S

G    



b) ở 500 K, tính KP  3.10-4

ở 1000 K, tính KP  10,43

Phản ứng thu nhiệt, khi nhiệt độ tăng thì KP tăng Vậy kết quả trên phù hợpvới nguyên lý Lơ Satơliê

Bài 11: Cân bằng: N2O4(k) 2NO2(k)

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

S mol N ố mol chất i 2 O 4 b phân li ị phân li

S mol N ố mol chất i 2 O 4 ban đầu u

c) Ta biết:

4 2

2

2

O N

NO P

P P

K 

Thay các biểu thức rồi biến đổi ta được:

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

2 4

Tính số mol của hệ lúc cân bằng:

Giả thiết các khí đều là khí lí tưởng

suất chung P

02046 ,

0



T R

PV n

687 ,

b) Xác định KP, KC, 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)

0

G



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

P ; xác định KP, KC, , H, S của phản ứng ở điều kiện cụ thể, áp dụng nguyên lí

Lơ Satơliê để xác định chiều phản ứng

Hướng dẫn giải:

0

G



b) KP = 1,52 ; KC = 0,0557 mol.l-1 ; = - 1,16 kJ.mol-1

c) H = 59,103 kJ.mol-1 ; S = 181 J.mol-1.K-1

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

b) ở 723 K phản ứng (1) có

ở 850 K phản ứng (1) có Tìm nhiệt độ của sự chuyển hoá (ở khoảng nhiệt độ) trên

áp suất 300 atm, 4500C

4

10

2 ,

c) Dưới áp suất 300 atm thì ở nhiệt độ nào để đạt 50% NH3 Cho biết chiềucủa 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)

+ Giả thiết:

(2)+ Lấy Nêpe 2 vế của (2):

ln Kx = ln KP + 2ln P

atm P

P P

3 2

2    

2 4

3

2 2

3

2

.

.

2 2

3

2 2

x

P

x P

P

P

K x

H N

NH H

N

NH P

2 2

3 ln 3 ln ln

2

ln K x  x NH  x N  x H



(3)+ Hiệu suất phản ứng sẽ cực đại khi ln Kx = 0

N NH

NH

x

dx x

dx x

dx dx

dx

x x

x

H N

NH

H N

3

2 2

3

Khi (a)

+ Thay (a) vào (3) được:

Do vậy tỉ lệ phần mol của N2 : H2 là 1 : 3b) + Ta có:

22

3

0 1

H N

H N

NH NH

dx dx

dx dx

dx x

A R

S RT

H

1

0 1

0

1

ln

(Biến đổi từ biểu thức: G0 = H0 - TS0 = -RT ln KP)

(b)

B T

A R

S RT

H

K P       

2

0 2

1

1 ln

1

2

T T

A K

K

P P

Trong đó:

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

2 a) HSCB KP:+ Phản ứng: N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) (1); H0 = - 92,5 kJ

18

162 ,

11144

ln    

T

B T

A K

36 ,

0 2

2 3

2

.

2 2

3 1



x x

x K

H N

NH P

36 ,

Thay các giá trị vào (2) ta tính được:

b) ở 4500C,

4

10

813 ,

813 ,

0 2

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

c) Dưới P = 300 atm, 4500C tính được

5 ,

813 ,

Vậy P =

300 atm, () T2

= ? ,

0 2

t 2  ?

P

K

Thay các giá trị vào (2) tính được

+ Tìmnhiệt độ () T2

áp dụngbiểu thức của

21 ,

R

H K

K

P P

Thay các giá trị: vào (c) tính được T2 = 653,1K hay 380,10C

* Nhận xét:

Tại T1 = 723K có

T2 = 653,1K có Phản ứng (1) là toả nhiệt H0 < 0), K tỉ lệ nghịch với T

813 ,

21 ,

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 S

b) Nếu coi và của phản ứng là không đổi theo nhiệt độ thì ở nhiệt độ nàophản 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:

0 298

H

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

+ Ta giả thiết :

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

(3)+ Khi ln Kx = 0, hiệu suất phản ứng sẽ cực đại

P P

3 2

2    

2

2 2

2 3

3 3

2

ln

H

H N

N NH

NH x

x

dx x

dx x

dx

dx dx

dx

x x

x

H N

NH

H N

3

2 2

22

3

0 1

H N

H N

NH NH

dx dx

dx dx

dx x

Thay (4) vào (3) được : (hợp lý)

Vậy xuất phát từ hỗn hợp có tỉ lệ N2 : H2 là 1 : 3 theo số mol () ở T, P nhấtđịnh nồng độ NH3 là lớn nhất ()

T H

G 298 0   298 0   298 0   33304 , 48



2.a) Tính 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

2 3

5 , PCl , Cl

P