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

* Về mặt kỹ năng: Giúp học sinh có được các kỹ năng sau: - Cách xác định nhiệt phản ứng hóa học.. *Mục đích của đề:Yêu cầu học sinh vận dụng kiến thức về tốc độ phản ứng; kỹ năng viết ph

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ĐỀ TÀI:

"MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP PHẦN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC DÙNG BỒI DƢỠNG 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) Định luật 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 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 các phương 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

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 lượng tự do tính hằng số cân bằng và ngược lại, của phản ứng xét ở điều kiện chuẩn

+ 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 = 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, dưới đây chúng tôi chỉ phân tích các ví dụ điển 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:

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 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 phản ứng

* Hướng dẫn giải:

Ta có: 2SO2+ O2 2SO3

+ Trạng thái 1: v1= k    2 2 1

1 2 2

.

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

nhiệt độ cho trước

t0, p, xt

a) Tính HSCB của phản ứng (*)

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 mol Tổng 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:

C4H10  C4H6 + H2 H10 (1)

CH4  C6H6 + H2 H20 (2)

Biết năng lượng liên kết E theo kJ mol-1

của các liên kết như sau:

Liên kết H – H C – H C – C C = C

(với các liên kết C – H, C – C, các trị số ở trên 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

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

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, sự chuyển 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 đã cho

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



Cl SO

Cl SO P P

P P

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 bình dung tích V1 Sau khi đạt tới cân bằng đo được P1 = 2,700 atm Hỗn hợp khí trong bình

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

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

 mol + Khối lượng 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

5 , 0

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

RT n

V  so với

1

1 1

P

RT n

V 

489 , 6 2 1 1 2 1

2   



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



n

n P

1 32 3

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.C N2O5 Phản ứng trên xảy ra trong bình kín thể tích 20,0 lít không đổi Ban đầu lượng N2O5 cho vừa đầy bình ở thời 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 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 và hằng số tốc độ phản ứng k đều không đổi

070 , 0 5

2 5

2 5

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







5 2 5

= 1,032.10-7 x 20 x 30 x 6,023.1023 = 3,729.1019 phân tử

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,

5

2O N

là 0,1 kmol.m-3; hằng số tốc độ k = 9,3.10-4

m3 (kmol.s)-1a) 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 =

a k.

1

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 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 + 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 =

a k.

d

 v =    2

. a x k

dt

x a



hay  2

x a

C kt x

hay t1/2 =

a k.

1 (Điều phải chứng minh)

Bài 9: Cho phản ứng “khí nước”

CO2 + H2 CO + H2O a) Tính 0

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 nước được nung nóng tới 1000 K

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

Hướng dẫn giải:

298 0

298 0

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 cân bằng

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

Số mol N2O4 bị phân li

Số mol N2O4 ban đ ầ u

d) Nếu ban đầu có 1,588 g N2O4 trong bình dung tích 0,5 lít, ở 250C và áp suất P lúc cân bằng 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,

b) áp suất riêng phần của N2O4, NO2:

P

P N O .

1

1 4

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

N2O4(k) 2NO2(k) (1) Giả thiết các khí đều là khí lí tưởng

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, 0

G

 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 1 atm 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 phản ứng (1)

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

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

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 được 36% NH3 dưới

áp suất 300 atm, 4500

C

a) Tính HSCB KP

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 áp suất, và xét chiều phản ứng

Hướng 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

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

H

1 0

1

0 1

ln

B T

A R

S RT

H

2 0

2

0 2

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 K Vậy 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 Ban 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

 



hay  = 0,529 + Ta có:

3 2 2

3 1



x x

x K

H N





P K

b) ở 4500

10 813 , 0 1

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

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

10 813 , 0 1





P K





P K

0

1 1 ln

1

2

T T R

H K





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 NH )

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 hoá hỗn hợp ban đầu (N2 + 3H2) là 90%, nếu phản ứng được thực hiện ở 4500C và tỉ lệ mol của N2 : H2 là 1 : 3 ?

nhiệt độ phản ứng đổi chiều, tính áp suất ở điều kiện bất kỳ

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

dx

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

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 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 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 bằng thiết 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

mol, 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 ,

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 2

P

P P K

PCl

Cl PCl

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

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

Lơ Satơliê xét các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng

2





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) chuyển dịch theo chiều thuận hay chiều tăng số phân tử khí