SKKN: BD HSG phần lý thuyết phản ứng hóa học

ĐẶT VẤN ĐỀTrong nội dung chương trình Hóa học THPT, phần kiến thức lý thuyết về phảnứng hóa học bao gồm: Nhiệt phản ứng; Tốc độ phản ứng; Cân bằng hóa học còn ởmức độ giới thiệu sơ lược

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÀO CAI TRƯỜNG THPT SỐ 1 TP LÀO CAI

Sáng kiến kinh nghiệm:

Nâng cao chất lượng bồi dưỡng HSG môn Hóa học:

Lý thuyết về phản ứng hóa học.

Giáo viên: Vương Quang Trọng Đơn vị: Tổ Hóa – Sinh, Trường THPT số 1 TP Lào Cai

NĂM HỌC 2015-2016

MỤC LỤC

I ĐẶT VẤN ĐỀ 3

II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 3

II.1 Cơ sở lý luận 3

II.1.1 Nhiệt của phản ứng 3

II.1.2 Tốc độ phản ứng 7

II.1.3 Cân bằng hóa học 12

II.2 Bài tập ví dụ 15

II.3 Bài tập áp dụng 19

II.4 Biện pháp đã áp dụng để giải quyết vấn đề và kết quả đạt được 19

III KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong nội dung chương trình Hóa học THPT, phần kiến thức lý thuyết về phảnứng hóa học bao gồm: Nhiệt phản ứng; Tốc độ phản ứng; Cân bằng hóa học còn ởmức độ giới thiệu sơ lược nhằm giúp HS nắm được một số khái niệm cơ bản Một sốphần như hiệu ứng nhiệt của phản ứng chưa được nhắc đến nhiều

Trong cấu trúc đề thi HSG quốc gia cũng như thi HSG cấp tỉnh, phần bài tập về lýthuyết các phản ứng hóa học thường chiếm 3,5/20 điểm Trong quá trình ôn tập, HScũng như GV tham gia giảng dạy còn ít tư liệu lý thuyết cũng như bài tập áp dụngphần này, nên việc giảng dạy và học tập nội dung này còn gặp ít nhiều khó khăn.Nhằm mục đích bồi dưỡng chuyên môn cũng như tạo nguồn tư liệu tham khảo chocác đồng nghiệp và các em HS, tôi đã lựa chọn nội dung sáng kiến kinh nghiệm:Nâng cao chất lượng bồi dưỡng HSG môn Hóa học: lý thuyết về các phản ứng hóahọc Nội dung sáng kiến này được tôi tổng hợp từ thực tế giảng dạy chuyên đề nàyqua các năm tham gia bồi dưỡng đội tuyển thi HSG môn Hóa học của nhà trường.Nội dung sáng kiến này bao gồm cơ sở lý thuyết, các ví dụ và bài tập áp dụng vềcác nội dung: Nhiệt phản ứng; Tốc độ phản ứng; Cân bằng hóa học Sáng kiến cũngđánh giá hiệu quả áp dụng trong năm học 2014-2015

II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

II.1 Cơ sở lý luận

II.1.1 Nhiệt của phản ứng

II.1.1.1 Nhiệt phản ứng:

 Xét một hệ kín trong đó xảy ra phản ứng: aA + bB  cC + dD

Nhiệt phản ứng của phản ứng này là lượng nhiệt trao đổi với môi trường khi phảnứng xảy ra ở T = const Nếu phản ứng thực hiện ở P = const thì nhiệt phản ứng đượcgọi là nhiệt phản ứng đẳng áp Qp = H

 Phản ứng nhường nhiệt lượng cho môi trường được gọi là phản ứng toả nhiệt, khi đó H

= Qp < 0

Phản ứng nhận nhiệt lượng của môi trường được gọi là phản ứng thu nhiệt, khi đó H =

Qp > 0

(nếu Qp được tính bằng jun thì R = 8,314 K 1 mol 1)

 Nhiệt sinh chuẩn của một chất: là nhiệt phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ cácđơn chất bền (chất phản ứng và sản phẩm đều nguyên chất ở 298K và 1atm)

Ví dụ: C (r) + O2 (k)  CO2 (k) có H0298,s= 292,51 kJ.mol1 khi pCO2= pO2=1atm

thì nhiệt sinh chuẩn của CO2 là H0298,s=  292,51 kJ mol1

Suy ra, nhiệt sinh chuẩn của đơn chất bền bằng 0

 Nhiệt cháy chuẩn của một chất: là nhiệt phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol chất đóbằng oxi tạo ra các oxit bền với số oxi hoá cao nhất của các nguyên tố

(chất phản ứng và sản phẩm đều nguyên chất ở 298K và 1atm)

Ví dụ: CH4 (k) + 2 O2 (k)  CO2 (k) + 2 H2O (l) có H0298,c=  890,34 kJ mol1

khi pCH4= pCO2= pO2= 1atm thì nhiệt cháy chuẩn của CH4 là H0298,c=  890,34 kJ.mol1

II.1.1.2 Định luật Hees:

a) Phát biểu: Nhiệt phản ứng (được thực hiện ở thể tích không đổi hoặc áp suấtkhông đổi và không thực hiện công nào khác ngoài công cơ học) chỉ phụ thuộc vàotrạng thái đầu (các chất phản ứng) và trạng thái cuối (các sản phẩm phản ứng), khôngphụ thuộc vào các trạng thái trung gian

Ví dụ:

Có thể chuyển từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối bằng hai con đường:

 Tác dụng trực tiếp C với O2 thành CO2

 Chuyển C thành CO rồi tiếp tục thành CO2

Theo định luật Hees: H = H1 + H2

Sơ đồ trên được gọi là chu trình nhiệt động (Born - Haber) được xây dựng để tínhnăng lượng mạng lưới ion

b) Các hệ quả của định luật Hees:

 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch nhưngngược dấu

 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các sản phẩm trừ đi tổngnhiệt sinh của các chất phản ứng

II.1.1.3 Cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Cách 1: Tính dựa trên hệ quả của định luật Hess

Cách 2: Tính dựa vào Năng lượng liên kết

a) Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết trong phân tử.Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền

 Đối với phân tử hai nguyên tử, năng lượng liên kết ứng với quá trình:

Khi tính: + Tính cụ thể từng loại liên kết và tổng năng lượng của các liên kết

+ Năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết của chất phản ứng là nănglượng cần tiêu tốn nên kết quả mang dấu +

Năng lượng khi hình thành các liên kết của chất sản phẩm là năng lượng cần toả ranên kết quả mang dấu 

+ Tổng hai trị số trên là nhiệt của phản ứng

Ví dụ: Từ thực nghiệm thu được trị số trung bình H (theo Kcal.mol-1) phân ly từngliên kết ở 250C như sau:

Liên kết H – H O – O O – H C – H C – O C – C

Hãy so sánh độ bền liên kết của các chất trong sự đồng phân hóa:

CH3CH2OH (hơi)  CH3-O-CH3 (hơi)

có 2 cách tính:  Tính theo chu trình nhiệt động

 Tính bằng cách tổ hợp các cân bằng

Ví dụ: Tính năng lượng mạng lưới ion của CaCl2 ,biết rằng:

- H0

298,s của tinh thể CaCl2 = - 795 kJ/mol

- Nhiệt nguyên tử hóa H a

0

của Ca(r) → Ca(k) = 192 kJ/mol

- Năng lượng ion hóa: Ca(k)  2e  Ca2+ (k) I 1 + I2 = 1745 kJ/mol

- Năng lượng liên kết (Elk) ClCl trong Cl2 = 243 kJ/mol

- ái lực electron (E) của Cl(k) = -364 kJ/mol

* Có thể thiết lập chu trình Born-Haber để tính toán theo định luật Hess:

Cộng các phương trình ta được Ca2+(k) + 2Cl-(k) CaCl2(r)

Năng lượng của quá trình này là năng lượng mạng lưới ion của CaCl2

Lượng chất thường được tính bằng nồng độ mol (nếu chất đó ở thể khí hoặc làchất tan trong dung dịch)

Thời gian thường được tính bằng giây, có thể là phút, giờ…

1

b.

ΔCC B ΔCt =

1

c.

ΔCC C ΔCt =

-

ΔCC A

ΔCt , -

ΔCC B ΔCt : Tốc độ tiêu thụ chất A, chất B

ΔCC C

ΔCt ,

ΔCC D ΔCt : Tốc độ tạo thành chất C, chất D

* Chú ý:

 Hệ số của các chất trong phương trình phản ứng phải là những số nguyên, tỉ lệ tốigiản

 Trong hệ SI, đơn vị của tốc độ phản ứng là mol.l-1.s-1

II.1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ p/hản ứng

a Nồng độ

Khi nồng độ các chất phản ứng tăng thì số phân tử chất phản ứng trong một đơn vịthể tích tăng, do đó các phân tử có nhiều cơ hội va chạm với nhau nên tốc độ phảnứng tăng

* Định luật tác dụng khối lượng (Do Guldberg và Waage đưa ra vào các năm 1864

Ví dụ: Phản ứng đơn giản: 2NO(k) + O2 (k)  2NO2 (k) có v = k.CNO2.CO 2

k càng lớn thì phản ứng xảy ra càng nhanh và ngược lại

Đơn vị của k: Nếu v có đơn vị là mol.l-1.s-1 thì đơn vị của k trong phương trình (4)là:

[k] =

[v]

[mol.L−1](a+b ) = (mol.l-1)(1-a-b).s-1

(4) gọi là phương trình động học của phản ứng (3)

* Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ Phương trình động học của phản ứng.Bậc phản ứng

Phương trình động học của phản ứng:

Những nghiên cứu thực nghiệm rộng rãi cho thấy chỉ một số rất ít phản ứng tuântheo định luật tác dụng khối lượng, nghĩa là có rất ít phản ứng xảy ra qua một giaiđoạn mà thông thường chúng xảy ra qua nhiều giai đoạn Các phản ứng này gọi làphản ứng phức tạp

Trong trường hợp tổng quát, đối với phản ứng đồng thể:A + bB  cC + dD thì phương trình động học của phản ứng là: v = k.CAm.CBn

Ví dụ: Phản ứng thuỷ phân đường saccarozơ:

Đối với các phản ứng dị thể, trong biểu thức tốc độ phản ứng chỉ có nồng độ của cácchất khí hay chất tan trong dung dịch.

* Sơ lược về cơ chế phản ứng

Thông thường, các phản ứng hoá học xảy ra qua nhiều giai đoạn cơ sở khác nhau.Tốc độ của phản ứng tổng cộng sẽ được xác định bởi tốc độ của giai đoạn chậm nhất.Giai đoạn chậm nhất này được gọi là giai đoạn quyết định tốc độ của phản ứng.Như vậy, tập hợp tất cả các giai đoạn cơ sở của một phản ứng sẽ cho ta biết cáchthức mà phản ứng xảy ra và được gọi là cơ chế phản ứng Cơ chế của một phản ứngthường được xây dựng trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm về tốc độ phản ứng

Ví dụ, khi nghiên cứu phản ứng:

2NO + 2H2  N2 + 2H2O

người ta thu được phương trình tốc độ phản ứng như sau: v = k.CNO2.CH 2

Do đó, người ta người ta giả thiết rằng phản ứng xảy ra qua các giai đoạn cơ sởnhư sau:

(a) NO + H2 ⃗k1 NOH2 KCB (nhanh)

(b) NOH2 + NO ⃗k2 N2 + H2O2 (chậm)

(c) H2O2 + H2 ⃗k3 2H2O (nhanh)

2NO + 2H2 ⃗ N2 + 2H2O

Chứng minh cơ chế trên là hợp lý:

Gọi v là tốc độ của phản ứng và v2 là tốc độ của giai đoạn (b) Ta có:

* Phân tử số: là số tiểu phân (nguyên tử, phân tử hay ion) tham gia trong một giaiđoạn sơ cấp (cơ sở) của phản ứng Như vậy, phân tử số là số nguyên dương (1, 2, 3;phân tử số từ 4 trở lên hầu như không gặp)

⃗

Qui ước gọi tên:

 Phân tử số bằng 1: Phản ứng đơn phân tử

 Phân tử số bằng 2: Phản ứng lưỡng (hai) phân tử

 Phân tử số bằng 3: Phản ứng tam (ba) phân tử

* Qui tắc Van’t Hoff:

Một qui luật định lượng được Van’t Hoff tổng kết từ thực nghiệm là:

“Ở khoảng nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, khi tăng nhiệt độ thêm 10oC, tốc độ phảnứng tăng từ 2 đến 4 lần”

Số lần tăng đó gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng, ký hiệu là 

(6)

* Phương trình Arrhenius

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, người ta phải cốđịnh nồng độ của các chất tham gia phản ứng Do đó, sự phụ thuộc của tốc độ phảnứng vào nhiệt độ thực chất là sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ.Qui luật định lượng tổng quát hơn về mối liên hệ giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứngđược biểu thị trong phương trình Arrhenius như sau:

(7)A: Thừa số Arrhenius (thừa số trước hàm mũ)

Ea: Năng lượng hoạt động hoá (năng lượng hoạt hoá)

R: hằng số khí = 8,314 J.mol-1.K-1

T: Nhiệt độ (K)

e: Cơ số Logarit Nepe = 2,7183…

Lấy ln 2 vế của (7), ta được: lnk = lnA -

E a RT

vT 2 = vT 1 (T 2 - T

1 )/10

k = A.e - E a /RT

Gọi k1, k2 lần lượt là hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T1, T2 Ta có :

G > 0) thì không thể tìm được chất xúc tác để làm cho phản ứng xảy ra

Đối với phản ứng thuận nghịch, chất xúc tác đồng thời làm tăng tốc độ phản ứngthuận và phản ứng nghịch, do đó, phản ứng thuận nghịch mau đạt đến trạng thái cânbằng nhưng chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng

Chất xúc tác dương tạo với chất tham gia phản ứng một sản phẩm trung gian Sảnphẩm trung gian này có mức năng lượng thấp hơn sản phẩm trung gian khi không cóxúc tác, như vậy, xúc tác dương làm giảm năng lượng hoạt động hoá của phản ứng,

vì thế, có nhiều phân tử vượt qua mức năng lượng này hơn, nghĩa là số va chạm cóhiệu quả tăng lên, do đó, tốc độ phản ứng tăng lên

d Diện tích bề mặt tiếp xúc (Áp dụng cho phản ứng dị thể)

Go: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng

- Nếu i là chất tan trong dung dịch thì ai = Ci / Co (Co là nồng độ tiêu chuẩn và bằng1M)

- Nếu i là dung môi hoặc chất rắn thì ai = 1

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì G = 0, do đó:

Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, Go là một hằng sốnên từ (11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi làhằng số cân bằng nhiệt động, ký hiệu là Ka

* Nếu Q < Ka, phản ứng xảy ra theo chiều thuận

* Nếu Q > Ka, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

* Nếu Q = Ka, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng

II.1.3.2 Các biểu thức tính hằng số cân bằng

1 Hằng số cân bằng theo áp suất (Kp)

Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí: aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)

Kp =

P

Cc P Dd

P

Aa P

Bb (15)(Pi: Giá trị áp suất riêng phần của cấu tử i ở TTCB tính theo atm)

Pi = xi.P = niRT/V

2 Hằng số cân bằng theo nồng độ mol (KC)

Xét phản ứng đồng thể (xảy ra trong dung dịch hay pha khí):

aA + bB cC + dD

KC =

[C]c.[D]d

[A]a.[B]b (16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB)

* Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì:

(19) (P: Áp suất chung của hệ)

KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy Kx không những phụ thuộc vàonhiệt độ mà còn phụ thuộc vào cả áp suất chung của hệ Chỉ trong trường hợp n = 0,

Kx = Kp, thì Kx mới không phụ thuộc vào áp suất chung của hệ

aOx1 + ne bKh1 K1 = 10 nE 1 o /0,059 X m

cKh2 - me dOx2 K2 = 10 – mE 2 o /0,059X n

maOx1 + ncKh2 mbKh1 + ndOx2 K = 10 mn(E 1 -E 2 o )/0,059

II.1.3.3 Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ

Gọi K1, K2 là hằng số cân bằng của phản ứng ở T1K và T2K

Giả sử Ho và So của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì:

 (21) (Công thức Van’t Hoff)

II.1.3.4 Sự chuyển dịch cân bằng

1 Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng

Cân bằng hoá học là một cân bằng động, được đặc trưng bởi các giá trị hoàn toànxác định của các thông số như nhiệt độ, nồng độ, áp suất của các cấu tử trong hệ.Nếu người ta thay đổi một hoặc nhiều thông số này thì trạng thái của hệ bị thay đổi,cân bằng hoá học của hệ bị phá vỡ Sau một thời gian, hệ sẽ chuyển đến trạng tháicân bằng mới Hiện tượng này gọi là sự chuyển dịch cân bằng.

2 Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ các chất

Xét phản ứng đồng thể đang ở trạng thái cân bằng: aA + bB cC + dD

* Nếu tăng nồng độ chất phản ứng A, B hoặc giảm nồng độ chất tạo thành C, D thì

Q < K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

* Nếu giảm nồng độ chất phản ứng A, B hoặc tăng nồng độ chất tạo thành C, D thì

Q > K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch

Kết luận: Cân bằng chuyển dich theo chiều chống lại sự thay đổi nồng độ các chất

3 Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất (nhiệt độ không thay đổi)

Ở đây ta chỉ xét sự thay đổi áp suất chung của cả hệ đến sự chuyển dịch cân bằng.Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất riêng của từng cấu tử giống như ảnh hưởng của

Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ ở trạng thái cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch

về phía có số phân tử khí ít hơn và ngược lại

Ho, So thường ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên:

5 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Nếu thông số của cân bằng (nồng độ, áp suất, nhiệt độ) bị biến đổi thì cân bằng sẽchuyển dịch theo chiều làm giảm sự thay đổi đó

II.2 Bài tập ví dụ

Ví dụ 1: Cho Xiclopropan  Propen có H1 = - 32,9 kJ/mol

Nhiệt đốt cháy than chì =  394,1 kJ/mol (H2)

Nhiệt đốt cháy Hidrro =  286,3 kJ/mol (H3)

Nhiệt đốt cháy Xiclopropan =  2094,4 kJ/mol (H4) Hãy tính:

Nhiệt đốt cháy Propen, Nhiệt tạo thành Xiclopropan và nhiệt tạo thành Propen?BG: Có thể thiết lập chu trình Born-Haber để tính toán, hoặc dùng phương pháp tổhợp các cân bằng Ta có phương trình cần tính là :

CH2=CH-CH3 + 4,5O2 → 3CO2 + 3H2O H5 = ?

phương trình này được tổ hợp từ các quá trình sau:

CH2=CH-CH3  C3H6 xiclo (-H1)

C3H6 + 4,5O2  3CO2 + 3H2O H4

Cộng 2 phương trình này ta được phương trình cần tính H5 = H4- H1

Vậy, nhiệt đốt cháy propen =  2094,4  ( 32,9) =  2061,5 kJ/mol

* Tương tự: 3 ( C + O2  CO2 H2 )

3 ( H2 +

1

2 O2  H2O H3 ) 3CO2 + 3H2O  C3H6 (xiclo) + 4,5 O2 (-H4 )

 

 =

34820 2,303 8,314 298

10



 

= 1,3 10 6

Để tính K598 không dùng công thức nói trên, vì chưa biết G0 ở 598 K

Tuy nhiên nếu chấp nhận H0 =  56,43 kJ không phụ thuộc nhiệt độ trong khoảng

298 K  598 K thì có thể dùng biểu thức :

0 2