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

* Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh vận dụng quy tắc Van Hôp, tính thời gian sau từng nhiệt độ cho tr-ớc.. * Mục đích của đề: Yêu cầu học sinh tính l-ợng chất sau phản ứng, tính hằng s

II.1.1 Ch-ơng IV: Lý thuyết về phản ứng hóa học

a Nội dung cơ bản

* Về mặt kiến thức: Giúp học sinh nắm đ-ợc các kiến thức:

- Định nghĩa hiệu ứng nhiệt của một phản ứng

- Định nghĩa: Năng l-ợng 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 l-ợng

tự do Gip

- Tốc độ phản ứng hóa học (định nghĩa, các yếu tố

ảnh h-ởng tới tốc độ phản ứng) Định luật Gunbe – vagơ (định luật tác dụng khối l-ợng trong động hóa học)

- Khái niệm về năng l-ợng 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 l-ợng (đối với phản ứng thuận nghịch)

- Các yếu tố ảnh h-ởng đến cân bằng hóa học, nguyên lý Lơ Satơliê về chuyển dịch cân bằng

* Về mặt kỹ năng: Giúp học sinh có đ-ợc các kỹ năng sau:

- Cách xác định nhiệt phản ứng hóa học

+ Dựa vào năng l-ợng liên kết

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

+ Dựa vào định luật Hes (có 2 ph-ơng pháp là chu trình và tổ hợp các ph-ơng 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 l-ợng tự do Gip G với phản ứng hóa học

Chú ý: Trong thực tế dùng H0, S0, G0: Phản ứng xảy ra ở điều kiện tiêu chuẩn: ứng với t0 = 250C hay 298K, p = 1atm (Còn trạng thái chuẩn của chất hay

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

+ Từ G0 kết luận về khả năng tự diễn biến của phản ứng

+ Từ năng l-ợng tự do tính hằng số cân bằng và ng-ợc lại, của phản ứng xét ở điều kiện chuẩn

hoặc G0 = - 2,303.RTlgK

- Viết đ-ợc ph-ơng trình động học của phản ứng hóa học (nội dung của định luật Gunbe – Vagơ) chú ý

+ Trong pha lỏng: Kc (HSCB theo nồng độ)

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

+ Trong pha khí: Kx (HSCB theo phân số mol)

* Biểu thức tổng quát và liên hệ giữa các HSCB

   

   a b

d c c

B A

D C K

a A

d D

c C p

P P

P P K

.

.

 Pi: áp suất riêng phần

b a

d D

c C x

x x

x x K

Kp = Kc (RT)n

Kp = Kx Pn P: áp suất chung của phản ứng

đang xét ở thời 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, d-ới đây chúng tôi chỉ phân tích các ví dụ điển hình

Ví dụ 1:

*Đề bài :Tính H của phản ứng sau:

CH4(k) + 4Cl2(k)  CCl4(k) + 4HCl(k)Biết các giá trị năng l-ợng liên kết:

C – Cl H – Cl C – H Cl – Cl 326,30 430,9 414,2 242,6

Ví dụ 3: [40, tr 198, 200, 202]

* Đề bài yêu cầu vận dụng kiến thức, kỹ năng tính

H0, S0, G0 của phản ứng, kết luận về khả năng tự diễn biến của phản ứng

Ví dụ 4:

* Đề bài: Tốc độ của phản ứng tạo thành SO3 từ SO2

và O2 thay đổi nh- thế nào (tăng hay giảm bao nhiêu lần) khi giảm thể tích hỗn hợp xuống 3 lần?

*Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh vận dụng kiến

Ta có: 2SO2+ O2 2SO3

+ Trạng thái 1: v1= k    2 2 1

1 2 2

.

2

2 C k SO O

C SO O  (a)

+ Trạng thái 2: Khi giảm thể tích hỗn hợp xuống 3 lần nghĩa là nồng độ chất tăng 3 lần

Ví dụ 5:

* Đề bài: Nếu ở 1500C, một phản ứng nào đó kết thúc sau 16 phút, thì ở 1200C và 2000C phản ứng đó kết thúc sau bao nhiêu phút? Giả sử hệ số nhiệt độ 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 tr-ớc

a) Tính HSCB của phản ứng (*)

b) Nếu l-ợng A gấp 3 lần l-ợng B thì hiệu suất cực

đại phản ứng bằng bao nhiêu?

c) Cân bằng bị dịch chuyển nh- thế nào khi tăng nhiệt độ, biết nhiệt phản ứng H = 0?

* Mục đích của đề: Yêu cầu học sinh tính l-ợng

chất sau phản ứng, tính hằng số cân bằng, vận dụng nguyên lý Lơ Satơliê

* H-ớng dẫn giải:

a) Lúc cân bằng: số mol của A, B là: 0,3333 mol

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

x = 0,90 hay 90%

c) Do H = 0 Vậy khi tăng nhiệt độ cân bằng thực

tế không bị dịch chuyển, nh-ng tốc độ phản ứng nhanh hơn, nghĩa là phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng nhanh hơn

Ví dụ 26:

* Đề bài: Trong công nghệ hoá dầu, các ankan đ-ợc

loại hiđro để chuyển thành hiđrocacbon không no có nhiều ứng dụng hơn Hãy tính nhiệt của mỗi phản ứng sau đây:

là trung bình trong các hợp chất hữu cơ khác nhau)

* Mục đích của đề: Giúp học sinh vận dụng kỹ năng

tính nhiệt phản ứng dựa theo năng l-ợng liên kết, chú

ý cân bằng ph-ơng trình phản ứng

* H-ớng dẫn giải:

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

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

Ví dụ 27:

* Dạng đề giúp học sinh nắm vững lý thuyết về

nguyên lý chuyển dịch cân bằng - các yếu tố ảnh h-ởng,

kỹ năng tính HSCB và l-ợng chất trong hệ (cân bằng)

* H-ớng 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 r-ợu Giảm l-ợng chất sau phản ứng (lấy bớt sản phẩm ra)

C K

suất P và ng-ợc lại ; tính năng l-ợng tự do G0 theo

H0, S0 ; áp dụng quan hệ Kp và Kc để tính lượng chất…

Ví dụ 28 :

* Đề bài : Sunfurylđiclorua SO2Cl2 là hoá chất phổ

biến trong phản ứng clo hoá Tại 3500C, 2 atm phản

ứng:

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

1 Hãy cho biết đơn vị của trị số đó và giải

thích HSCB Kp này phải có đơn vị nh- 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 đ-ợc khi (1) đạt tới cân bằng Các khí đ-ợc coi là khí lí t-ởng (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

* H-ớng 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 thể tích SO2Cl2(k) còn lại là 0,98%

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

+ Dựa vào biểu thức tính 50

2 2

k

Cl SO

Do vậy, số mol SO2Cl2(k) = 0,0098 hay 0,98% (trong cùng nhiệt độ, áp suất: % theo số mol cũng nh- % theo thể tích)

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

09,1479806

,0150

2 2 2

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

2 Trong thí nghiệm 1 thực hiện ở nhiệt độ T1

ng-ời ta cho 83,300 gam PCl5 vào bình dung tích V1 Sau khi đạt tới cân bằng đo đ-ợc 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 l-ợng PCl5 và nhiệt

độ nh- ở thí nghiệm 1 nh-ng thay dung tích là V2 thì đo

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

Cho: Cl = 35,453; P = 30,974; H = 1,008 các khí

đều là khí lý t-ởng

*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 l-ợng.Từ đó tính các đại l-ợng liên quan

x a

x a

x P

Cl PCl

1

.

2 2

5

2 3

2

3  

2 2

5

2 3

V

m V

a PCl

Cl PCl

K C

Cách 2: + Ta biết: KP = KC .(RT) khí = 1

2 2

V

m V

a RT

K

K P C

ở đó PV = nRT = (a + x)RT = a (1+ )RT hay RT =

1 

a PV

2 Thí nghiệm 1:

* Tính 1

+ Số mol PCl5 ban đầu: a = 0 , 400

239 , 208

30 ,

83  mol + Khối l-ợng trung bình M của hỗn hợp lúc cân bằng

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

M mol

a

n1  1 1  0 , 600  83,30 tính đ-ợc 1= 0,500

* Tìm KP tại nhiệt độ T1

 

 0 , 5 .2,70 0,9001

5 , 0

2 1

2 1

2 1

- giữ nguyên nhiệt độ : KP không đổi

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

2 2

P

RT n

V  so với

1

1 1

P

RT n

489 , 6 2 1 1 2 1

2   



P

P n

n V

4 Thí nghiệm 3:

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

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

- áp suất cân bằng P3 = 1,944 atm (do nhiệt độ giảm, tổng số mol khí n3 thay đổi, n3  n1)

9 , 0 1

4 , 0 7 , 2

944 , 1 9 , 0

1 3 1

1 32 3

3 3

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

5

2O N

C Phản ứng trên xảy ra trong bình kín thể tích 20,0 lít không đổi Ban đầu l-ợng N2O5cho vừa đầy bình ở thời điểm khảo sát, áp suất riêng phần N2O5 là 0,070 atm Các khí đều là lí t-ởng

* Mục đích của đề: Giúp học sinh củng cố kiến

thức về tốc độ phản ứng; kỹ năng: viết ph-ơng trình

động học của phản ứng, biểu thị và tính tốc độ hình

thành, tốc độ tiêu thụ, tính số phân tử bị phân tích, mặt khác tại nhiệt độ T xác định: tốc độ phản ứng vp-

10 8646 , 2 298 082 , 0

070 , 0 5

2 5

2 5

đầu của BrO- là 0,1 kmol.m-3; hằng số tốc độ k = 9,3.10

1

Trong đó: a là nồng độ ban đầu của A (ở t = 0)

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh viết đ-ợc

ph-ơng trình động học của phản ứng, tính nồng độ và thời gian của chất bị chuyển hoá, tính thời gian nửa phản ứng; chứng minh biểu thức tính t1/2 của phản ứng

Thay các giá trị a, a – x, k tìm đ-ợc: t1 = 4608,3

s (76,8 phút)

t2 = 106,45.104 s (1,77.104 phút)

b) Chu kỳ bán huỷ : t1/2 =

a k.

dt

x a



hay  2

x a k dt

dx  (*) Ph-ơng trình tốc độ dạng vi phân

+ Lấy tích phân của (*):

x k dt a

dx

2

C kt x

k 1 1 1 (**) Ph-ơngtrình tốc độ dạng tích phân

hay t1/2 =

a k.

1 (Điều phải chứng minh)

Bài 9: Cho phản ứng “khí nước”

CO2 + H2 CO + H2O a) Tính 0

14

c) Một hỗn hợp khí chứa 35% thể tích H2, 45% thể tích CO và 20% thể tích hơi n-ớc đ-ợc nung nóng tới

1000 K

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

G

 , HSCB

KC, KP của phản ứng ở 1000 K từ đó xác định thành phần hỗn hợp theo % thể tích của chất trong hỗn hợp

H-ớng dẫn giải:

a) áp dụng biểu thức: 0 0 0

S T H

G    

Thay giá trị 0

Tính Kp của phản ứng, so sánh các giá trị Kp ở 500K và 1000K Kết quả đó có phù hợp với nguyên lý Lơ Satơliê không?

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính 0

G

 của phản ứng, tính KP ở 2 nhiệt độ bất kỳ, vận dụng nguyên

lý Lơ Satơliê để giải thích kết quả

H-ớng dẫn giải:

298 0

298 0

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 P của hệ khi cân bằng

c) Thiết lập biểu thức sự phụ thuộc của HSCB Kp

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:

P

1

1 4

O N

NO P

4 2

PV n

Bài 12 : ở nhiệt độ T, áp suất 1 atm có cân bằng

sau :

N2O4(k) 2NO2(k) (1) Giả thiết các khí đều là khí lí t-ởng

a) Thiết lập biểu thức HSCB KP là dạng một hàm của

e) Để  đạt tới 8% thì phải nén hỗn hợp khí tới

áp suất nào ? Nhận xét về chiều của phản ứng (1)

Mục đích của bài : Yêu cầu học sinh thiết lập

G

 = - 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 đ-ợc KP = 0,049

Khi P từ 1 atm giảm còn 0,8 atm, độ phân li 

tăng cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải

e)  = 0,08 ; KP = 0,049 ta tính đ-ợc P = 1,9 atm Vậy khi  giảm cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều từ phải sang trái

Bài 13:

1 Thực hiện tổng hợp NH3 theo phản ứng:

N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) (1) a) Chứng minh rằng ở nhiệt độ, áp suất xác định, hiệu suất phản ứng sẽ cực đại nếu thành phần mol của

hỗn hợp các chất tác dụng lấy đúng theo hệ số tỷ l-ợng của chúng

b) ở 723 K phản ứng (1) có 4

10 2 1





P K

ở 850 K phản ứng (1) có 4

10 2 , 0 2





P K

Tìm nhiệt độ của sự chuyển hoá (ở khoảng nhiệt

độ) trên

2 Phản ứng (1) có H0   92 , 5kJ Khi phản ứng đạt cân bằng thu đ-ợc 36% NH3 d-ới áp suất 300 atm,

Mục đích của bài: Giúp cho học sinh có kĩ năng

tổng hợp: chứng minh giả thiết là đúng, tính HSCB KP, tính số mol, nhiệt độ (áp dụng biểu thức của định luật KiecHoff), tìm áp suất, và xét chiều phản ứng

H-ớng dẫn giải:

1.a) Phản ứng: N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k)

(1) + Giả thiết: P N P H P NH P 1atm

3 2

2 4

3

2 2 3

2

.

.

2 2 3

2 2

P x x

P x P

P

P

H N NH

H N

ln 2

ln Kx  xNH  xN  xH



2 2

2 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

3

2 2

2 2

3 3

0

01

H N

H N

NH NH

dx dx

dx dx

dx

+ Thay (a) vào (3) đ-ợc: 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

K P      

1 0 1

0 1

ln

B T

A R

S RT

H

K P     

2 0 2

0 2

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

1 1 ln

1

2

T T

A K

K P

P

(b) Thay các giá trị , , 1, 2

A K

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

lnK = 0

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

2

2 2

3 1



x x

x K

H N

Thay các giá trị vào (2) ta tính đ-ợc: 4

10 813 , 0 1





P K

b) ở 4500C, 4

10 813 , 0 1





P K

0

1 1 ln

1

2

T T R

H K

K P

P

(c) Thay các giá trị: , , 1

2

1 K T

K P P vào (c) tính đ-ợc T2 = 653,1K hay 380,10C

* Nhận xét:

Tại T1 = 723K có 4

10 813 , 0 1





P K

T2 = 653,1K có 4

10 21 , 4 2





P K

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

Khi nhiệt độ giảm, KP tăng Vậy cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải (tạo NH3)

Bài 14:

Amoniac (NH3) đ-ợc tổng hợp theo phản ứng:

N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) (1)

1 Chứng minh rằng ở nhiệt độ và áp suất nhất

định nồng độ của NH3 là 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 d-ới đây:

N2 H2 NH3

 . 1: 0

298



H k J mol 0 0 - 46,19

3 Để có hiệu suất NH3 cao, cần tiến hành phản ứng

ở áp suất nh- thế nào ? Vì sao ?

4 Tính xem cần phải tiến hành phản ứng ở áp suất

là bao nhiêu để hiệu suất chuyển hoá hỗn hợp ban đầu (N2 + 3H2) là 90%, nếu phản ứng đ-ợc thực 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 của phản ứng, tìm nhiệt độ phản ứng đổi chiều, tính áp suất ở điều kiện bất kỳ

H-ớng dẫn giải:

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

+ Ta giả thiết : P N P H P NH P 1atm

3 2

Mà KP = Kx.P-2 hay Kx = KP.P2 (2)

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

2 2

2 2

3

2 ln

H

H N

N NH

NH x

x

dx x

dx x

T

dx dx

dx

x x x

H N

NH

H N NH

,

01

2 2

3

2 2 3

2 2

3

01

H N

H N

NH NH

dx dx

dx dx

dx

Thay (4) vào (3) đ-ợc : 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 T, P nhất định nồng độ NH3 là lớn nhất ( 1

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 K theo K và P