Sáng kiến kinh nghiệm SKKN môn hóa học một số dạng bài tập phần cơ sở lý thuyết các phản ứng hóa học dùng bồi dưỡng học sinh giỏi bậc THPT

*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 ảnh hưởng đến tốc độ phảnứng... * Mục đích

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:

"MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP PHẦN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC DÙNG BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI BẬC

THPT"

II.1 Hệ thống các câu hỏi và bài tập phần “cơ sở lý thuyết các phản ứng hóa học”

trong tài liệu giáo khoa chuyên Hoá học

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 độ phản ứng) Địnhluật Gunbe – vagơ (định luật tác dụng khối lượng trong động hóa 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 về chuyển dịch cânbằng

* 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 các phương trình nhiệthóa 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 Gvới phản ứng hóa học

Chú ý: Trong thực tế dùng H0, S0, G0: Phản ứng xảy ra ở điều kiện tiêu chuẩn: ứngvới 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 lượng tự do tính hằng số cân bằng và ngược lại, của phản ứng xét ở điều kiệnchuẩn

+ 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

.

.

 [ ]: Nồng độ cân bằng của chất đang xét

b B

a A

d D

c C

p P P

P P K

 Pi: áp suất riêng phần

b B

a A

d D

c C

x x x

x x K

Kp = Kx PnP: áp suất chung của phản ứng đang xét ở thời điểm cân bằng hóa học thiếtlập.

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 ví dụđiển hình

* 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 như thế nào (tănghay giảm bao nhiêu lần) khi giảm thể tích hỗn hợp xuống 3 lần?

*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 ảnh hưởng đến tốc độ phảnứng

Ta có: 2SO2+ O2 2SO3

+ Trạng thái 1: v1= k    2 2 1

1 2

Ví dụ 5:

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

b) Nếu lượng A gấp 3 lần lượng B thì hiệu suất cực đại phản ứng bằng bao nhiêu?

c) Cân bằng bị dịch chuyển như thế nào khi tăng nhiệt độ, biết nhiệt phản ứng 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:

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

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)

+ Lúc cân bằng: số mol của A là (3 – x)

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 dịch chuyển, nhưng 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 được loại hiđro để chuyển thành

hiđrocacbon không no có nhiều ứng dụng hơn Hãy tính nhiệt của mỗi phản 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 C H  C H + 2H (1) tính được H 0 = 437,6 kJ

Tăng nhiệt độ vừa phải

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

Tăng nồng độ của axit hoặc rượu

Giảm lượng chất sau phản ứng (lấy bớt sản phẩm ra)

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, sựchuyển dịch cân bằng khi các yếu tố thay đổi Mặt khác, tổng hợp 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

1 Hãy cho biết đơn vị của trị số đó và giải thích HSCB Kp này phải có đơn vị như vậy

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

3 Ban đầu dùng 150 mol SO2Cl2(k), tính số mol Cl2(k) thu được khi (1) đạt tới 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

2 Cách 1:+ Gọi số mol SO2Cl2(k) ban đầu là 1 mol

có độ phân li là + Dựa vào biểu thức 50

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

, 0 150

2 2 2

1 Cho m gam PCl5 vào một bình dung tích V, đun nóng bình đến nhiệt độ T (K) để xảy

ra phản ứng phân li PCl5 Sau khi đạt tới cân bằng áp suất khí trong bình 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

2 Trong thí nghiệm 1 thực hiện ở nhiệt độ T1 người ta cho 83,300 gam PCl5 vào bìnhdung tích V1 Sau khi đạt tới cân bằng đo được P1 = 2,700 atm Hỗn hợp khí trong bình có

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 liên quan

x a

x a

x P

PCl

Cl PCl

1

.

2 2

5

2 3

V

a Cl PCl3  2  .

2 2

5

2 3

V

m V

a PCl

Cl PCl

2 2

V

m V

a RT

a PV

2 Thí nghiệm 1:

* Tính 1

+ Số mol PCl5 ban đầu: a = 0 , 400

239 , 208

30 , 83

2 1

2 1

2 1

- giữ nguyên nhiệt độ : KP không đổi

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

- áp suất cân bằng P2 = 0,500 atm

2 2

T P

tính được 2 = 0,802

+ Tổng số mol lúc cân bằng

n2 = a (1 + 2) = 0,4 (1 + 0,802) = 0,721 mol

* Tìm quan hệ giữa V1, V2, P1, P2, n1, n2

+ Thể tích bình trong thí nghiệm 2

2

2 2 2

P

RT n

V  so với

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

- 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

3 3



* Tính K P T3

081 , 0

3

3 3

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 phảnứng, 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 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 vpư vàhằng số tốc độ phản ứng k đều không đổi

070 , 0

5 2 5

2 5

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

a) Sau bao lâu thì 30%, 99% BrO- bị chuyển hoá?

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.1a

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 nửa phản ứng; chứng minhbiểu 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.+ Biểu thức tốc độ phản ứng :    2

3

t 1 1 1

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)b) Chu kỳ bán huỷ : t1/2 = k.1a

x a d

dx

.

2

C kt x

a  

Khi t = 0  x = 0  C = a1

a x a

1

(Điều phải chứng minh)

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 lượt là: 35040 J.mol-1;32,11 J mol-1.K-1

b) Tính HSCB KC, KP của phản ứng ở 1000K

c) Một hỗn hợp khí chứa 35% thể tích H2, 45% thể tích CO và 20% thể tích hơi nướcđược 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 phản ứng ở 1000 K từ

đó xác định thành phần hỗn hợp theo % thể tích của chất trong hỗn hợp

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 P của hệ khi cânbằng

c) Thiết lập biểu thức sự phụ thuộc của HSCB Kp vào P và 

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

Hướng dẫn giải:

a) Xét cân bằng: N2O4(k) 2NO2(k)

Ban đầu: a

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

Cân bằng: a (1 - ) 2a

+ Số mol NO2: 2a

N2O4: a (1 - )Tổng số mol của hệ: a (1 + )

b) áp suất riêng phần của N2O4, NO2:

O N

NO P P









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

Tính số mol của hệ lúc cân bằng: 0 , 02046



T R

PV n

a) Thiết lập biểu thức HSCB KP là dạng một hàm của độ phân li  và áp suất 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

d) Tính KP của phản ứng (1) khi  = 11% Độ phân li  thay đổi như thế nào khi P từ 1atm giảm còn 0,8 atm ?

e) Để  đạt tới 8% thì phải nén hỗn hợp khí tới áp suất nào ? Nhận xét về chiều của phảnứng (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 dụng nguyên lí Lơ Satơliê để xácđịnh 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) chuyển dịch theo chiều

từ trái sang phải

Tìm nhiệt độ của sự chuyển hoá (ở khoảng nhiệt độ) trên

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

c) Dưới áp suất 300 atm thì ở nhiệt độ nào để đạt 50% NH3 Cho biết chiều của cân bằng(1)

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 ápsuất, và xét chiều phản ứng

Hướng dẫn giải:

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

+ Giả thiết: P N2 P H2 P NH3 P 1atm

2 4

3

2 2 3

2

.

.

2 2 3 2

P x P

P

P

H N

NH H

ln2

lnK x  x NH  x N  x H



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

01

H N

H N

NH NH

dx dx

dx dx

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

ln

B T

A R

S RT

ln

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

1 1 ln

1

2

T T

A K

K

P

P

(b)Thay các giá trị K P1,K P2,T1 ,T2vào (b) tính được:

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

2 a) HSCB KP:

+ Phản ứng: N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) (1); H0 = - 92,5 kJBan đầu: 1 3 0

Cân bằng: 1 -  3(1 - ) 2

Tổng số mol hệ lúc cân bằng: 4 - 2

Hiệu suất phản ứng đạt 36% NH3 nghĩa là 0 , 36

2 4

2 3

2 22

3 1



x x

x K

H N

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

c) Dưới P = 300 atm, 4500C tính được 0 , 813 10 4

1





P K

H K

K P

P

(c)Thay các giá trị: K P1,K P2,T1 vào (c) tính được T2 = 653,1K hay 380,10C

* Nhận xét:

Tại T1 = 723K có 1 0 , 813 10  4



P K

T2 = 653,1K có 2 4 , 21 10  4



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)

3 Để có hiệu suất NH3 cao, cần tiến hành phản ứng ở áp suất như thế nào ? Vì sao ?

4 Tính xem cần phải tiến hành phản ứng ở áp suất là bao nhiêu để hiệu suất chuyển hoáhỗn hợp ban đầu (N2 + 3H2) là 90%, nếu phản ứng được thực hiện ở 4500C và tỉ lệ molcủa N2 : H2 là 1 : 3 ?

Mục đích của bài : Yêu cầu học sinh chứng minh giả thiết, tính G0 của phản ứng, tìmnhiệt 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

+ Ta giả thiết : P N2 P H2 P NH3 P 1atm

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

.2ln

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

,

0

1

2 2

3

2 2 3

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 T, P nhấtđịnh nồng độ NH3 là lớn nhất ( 1

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)Trong bình phản ứng, ban đầu có chứa 0,3 mol PCl5 dưới áp suất 1 atm Khi cân bằngthiết lập có áp suất là 1,25 atm ở thể tích, nhiệt độ không đổi

a) Tính độ phân li , HSCB KP và áp suất riêng phần của từng cấu tử trong hệ

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

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính được các đại lượng: độ phân li , HSCB KP, sốmol, áp suất riêng phần của từng cấu tử; thiết lập biểu thức liên hệ giữa , 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

áp suất riêng phần : P PCl 0 , 75atm

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

13,0

b) Độ phân li sẽ thay đổi như thế nào khi áp suất giảm từ 1 atm xuống 0,8 atm

c) Để cho độ phân li giảm xuống còn 8% thì phải nén hỗn hợp khí tới áp suất nào? Kếtquả nhận được có phù hợp với nguyên lý Lơ Satơliê không? Vì sao?

Mục đích của bài: Yêu cầu học sinh tính được HSCB KP của phản ứng, áp suất 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 atmtính được  = 0,123 hoặc : Khi áp suất giảm cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều thuậnhay chiều tăng số phân tử khí

c) Độ phân li  = 0,08, KP = 0,049