Xem mẫu

  1. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC A. ĐẶT VẤN ĐỀ  I. LỜI MỞ ĐẦU:  Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên là làm sao có  thể phát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tư duy một cách tốt nhất   đặc biệt là trong bộ  môn Hóa học (môn học nghiên cứu và sáng tạo). Việc vận dụng các   kiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quá trình rất tốt để học sinh có thể phát triển   tư duy cho học sinh. Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự  học, tự  sáng tạo của học sinh thì giáo   viên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp các bài  tập phù hợp với mức độ yêu cầu của các kỳ  thi. Trong quá trình giảng dạy đặc biệt là dạy   đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một   số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâu kiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài   liệu và việc tự  học sinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là   rất khó.Vì vậy thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho   học sinh cũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh. Với ý  định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ  thống về  lý thuyết   cũng như  một số  dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về  bài toán   nhiệt hóa học­ cân bằng hóa học . Dĩ nhiên phương pháp này nó là sự kết hợp giữa lý thuyết   mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổ thông. II. THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:  * Thực trạng : Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổ thông đặc biệt  là trong các kỳ  thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên . Vấn đề  đặt ra là khi gặp một bài toán ở   dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình cơ bản ( Bài toán nhiệt động và cân   bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và thường không làm được.  Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảng dạy thêm cho   học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bài  tập liên quan cho học sinh  đặc biệt là những kiến thức  nâng cao nhằm phục vụ cho các kỳ thi quan trọng. * Kết quả, hiệu quả: Với thực trạng nêu trên với những học sinh có kỹ  năng tốt sẽ  suy luận để  đưa ra  những cách giải hợp lý không không giải được. Từ đó ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu các   1
  2. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC kiến thức mới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinh còn nhiều hạn chế  và   chưa phù hợp với mức độ của các kỳ thi. Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói  quen khi gặp các vấn đề  mới mà trong chương trình phổ  thông còn hạn chế  thì giáo viên  phải là người đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tự học kiến thức mới và đưa ra   các phương pháp phù hợp. Do đó trong quá trình giảng dạy tôi có đưa ra một phương pháp   giải nhanh bài toán hóa học : Bài toán nhiệt hóa học – cân bằng hóa học.  Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra một trong những  phần kiến thức   và một số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi. Nội dung được thiết lập và  được sử  dụng có hiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở  rộng thông qua nội dung kiến thức,   sự tích lũy thành những kiến thức căn bản nhất cho học sinh trong chuyên đề.  2
  3. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC B. CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN: ­ Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh:  * PHẦN 1: HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHO HỌC SINH: I. Phần 1:  Cung cáp lý thuyết cho học sinh về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa học A. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học I. Hệ: 1. Khái niệm: * Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian xác định. * Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài. * Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi trường ngoài. * Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài. * Hệ  đồng thể  là hệ  mà trong đó không có sự  phân chia thành các khu vực khác nhau với  những    tính chất khác nhau. Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất. * Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau. 2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ: * Các đại lượng dung độ  (khuếch độ) là các đại lượng phụ  thuộc vào lượng chất như  khối lượng, thể  tích …Các đại lượng này có tính chất cộng. * Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ,   áp suất, khối lượng riêng… B. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng I. Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay hấp thụ  trong phản ứng đó. II. Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt: 1. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ: 3
  4. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn  Ho  của một chất là hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng tạo   thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn.  * Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn  Ho của đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện  tiêu chuẩn bằng không. Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu  ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ  một mol chất   đó thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn. Như  vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trị  bằng nhau   nhưng trái dấu. 2. Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất:  là hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng đốt cháy một   mol chất đó bằng O2  để  tạo thành các sản phẩm  ở  dạng bền vững nhất  ở  điều kiện tiêu   chuẩn. 3. Nhiệt hoà tan của một chất: là hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan một mol chất đó. III. Định luật Hess “Hiệu  ứng nhiệt của một phản  ứng hoá học chỉ  phụ  thuộc vào trạng thái đầu của các  chất phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai   đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từ trạng thái đầu tới trạng thái   cuối”. IV. Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng 1.  Phương pháp thực nghiệm: Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể  xác định hiệu  ứng nhiệt của phản   ứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng kế được bố  trí sao cho không có sự  trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Nó gồm một thùng lớn   đựng nước, trong đó nhúng ngập một bom nhiệt lượng kế, đây là nơi thực hiện phản  ứng  hoá học. Trong thùng còn đặt một nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que   khuấy để để duy trì cân bằng nhiệt trong cả hệ. Phản  ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng giải phóng ra  (phương pháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ và làm tăng  nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2. Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau: Q = C(T2 – T1) (1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K)) 4
  5. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng. 2. Phương pháp xác định gián tiếp. Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các quá trình   đã cho bằng các cách sau: (1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học. (2) Cộng đại số các quá trình. (3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất: Hiệu ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm trừ tổng   sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). (4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất: Hiệu  ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia trừ  tổng   thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). (5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết Hiệu ứng nhiệt của phản  ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các  liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết   trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). B. Nguyên lý I nhiệt động học I. Nội dung Nội dung của nguyên lý I nhiệt động học là sự bảo toàn năng lượng:  “Năng lượng không thể sinh ra cũng như không thể tự biến mất mà chỉ có thể chuyển từ  dạng này sang dạng khác”. II. Nội năng U và entanpi H * Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, bao gồm: năng   lượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử, năng lượng liên kết,  năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử … * Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác định được sự  biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Giả sử ở trạng thái   đầu 1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W và chuyển thành trạng thái 2 thì   5
  6. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC biến thiên nội năng của hệ là: U = Q + W (Qui  ước hệ  nhận nhiệt thì Q > 0 và hệ  sinh công thì W 
  7. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (3) Trong đó: HT i : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở Ti K CP: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp của các chất trong phản ứng. Nếu nhiệt dung của các chất không phụ thuộc vào nhiệt độ thì  CP = Const, khi đó: (4) H  =  H  +  CP(T2 – T1) T2 T1 C. Nguyên lý II nhiệt động học I. Khái niệm entropi * Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử của   hệ cần xét. Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giá trị càng lớn. * Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ không thay đổi   và nếu áp suất cũng không thay đổi thì biến thiên entropi của quá trình là: H S =  T (5) * Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là: S =  S (sản phẩm) ­  S (chất phản ứng) (6) * Chú ý: Entropi tiêu chuẩn của đơn chất bền  ở điều kiện tiêu chuẩn không phải bằng   không. II. Nội dung nguyên lý II nhiệt động học “Trong bất cứ  quá trình tự  diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ  và môi  trường xung quanh phải tăng”. III. Năng lượng tự do Gibbs 7
  8. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC * Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổi nhiệt và   công với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để  đánh giá chiều  hướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường xung quanh. Vì vậy,   người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi của hệ để tìm điều kiện duy   nhất xác định chiều diễn biến của các quá trình tự phát. Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa   ra đại lượng mới là năng lượng tự do Gibbs và được định nghĩa: G = H – TS. * Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì: G =  H –T. S (7) Trong hệ thức này,  G,  H và  S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét. G gọi là biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn là biến thiên thế  đẳng áp   hoặc entanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánh giá quá trình có xảy   ra hay  không? Nếu  G  0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự xảy ra) IV. Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học 1. Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất ( Go) * Thế  đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất là biến thiên thế  đẳng áp của quá   trình hình thành một mol chất đó từ  các đơn chất  ở  trạng thái bền vững  ở  điều kiện tiêu  chuẩn. * Chú ý:  Go  của các đơn chất  ở  trạng thái bền vững  ở  điều kiện tiêu chuẩn bằng   không. ( Go các chất có trong các tài liệu tra cứu). 2. Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học G =  G (sản phẩm) ­  G (chất phản  (8) G =  H – T. S 8
  9. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (9) * Chú ý: Người ta qui ước tại mọi nhiệt độ,  Ho(H+.aq) = 0 và  Go(H+.aq) = 0, nghĩa là phản  ứng: 1/2H2(k)  ­ 1e  + H2O   H+(aq) có  Ho = 0 và  Go = 0 Từ đó xác định được  Ho và  Go của các ion khác trong dung dịch. Người ta cũng thống nhất qui  ước So(H+.aq) = 0 tại mọi nhiệt độ  và từ  đó cũng lập  được bảng So cho các ion khác trong dung dịch. D. Cân bằng hoá học I. Hằng số cân bằng Xét phản ứng thuận nghịch: aA + bB    cC + dD Người ta đã thiết lập được biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng là: c d aC .a D G =  G  + RTln o a b (10) a A .a B trong đó: Go: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng. ai: Hoạt độ cấu tử i.  ­ Nếu i là chất khí thì ai = Pi / Po (Po là áp suất tiêu chuẩn và bằng 1 atm) ­ Nếu i là chất tan trong dung dịch thì ai = Ci / Co (Co là nồng độ  tiêu chuẩn và bằng  1M) ­ 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: c d aC .a D G  = ­ RTln o a b (11)  (CB chỉ các cấu tử ở trạng thái cân bằng) a A .a B CB Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định,  Go là một hằng số nên  từ  (11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi là hằng số  cân  bằng nhiệt động, ký hiệu là Ka. 9
  10. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC c d aC .a D Ka =  a b (12) a A .a B CB (Khi không sợ nhầm lẫn thì không cần ghi ký hiệu CB ở chân) c d aC .a D Đặt Q =  a b (13) a A .a B (Q được gọi là hàm hoạt độ hay thương số phản ứng) Từ (10) đến (13) suy ra: Q G = RTln Ka (14) Do đó: * Nếu Q  Ka, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch * Nếu Q = Ka, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng II. 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) c d PC .PD Kp =  a b (15) (Pi: Giá trị áp suất riêng phần của cấu tử i  ở TTCB tính  PA .PB 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 c d C .D KC =  a b (16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB) A .B 10
  11. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC * Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì: KP = KC.(RT) n (17) ( n = (c + d) – (a + b); R = 0,082) 3. Đại lượng Kx Xét phản ứng đồng thể: aA + bB    cC + dD c d x C .x D ni Kx =  (18) (xi =  ) a x A .x B b n Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì: KP = Kx.(P) n (19) (P: Ấp suất chung của hệ) KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy Kx không những phụ thuộc vào nhiệt  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. * Chú ý: Khi  n = 0 thì:  KP = KC = Kx 4. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hoá khử: Xét bán phản ứng: aOx  +  ne    bKh Ta có: Go = ­RTlnK = ­nFEo F lgK =  nEo 2,303.RT F 1 Ở 25oC (298K) thì   =  , khi đó: 2,303.RT 0,059(2) nE o lgK =  0,059 o /0,059 K = 10 nE (20) 11
  12. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Xét phản ứng oxi hoá ­ khử gồm hai bán phản ứng sau: o /0,059 aOx1  +  ne    bKh1 K1 = 10 nE 1 X m o /0,059 cKh2  ­  me    dOx2 K2 = 10 – mE 2 X n o ­E o )/0,059 maOx1 + ncKh2   mbKh1 + ndOx2 K = 10 mn(E 1 2 III. Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ Ta có: Go =  Ho – T. So = ­ RTlnK Ho So   lnK = ­   +  RT R 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: Ho So lnK1 = ­   +  RT1 R Ho So lnK2 = ­   +  RT2 R K2 H 1 1 ln  =  ( ) K1 R T1 T2 (21)  (Công thức Van’t Hoff) IV. 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 toàn xác  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 thái cân bằng mới. Hiện tượng  này gọi là sự chuyển dịch cân bằng. 2. Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ các chất 12
  13. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 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 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 sự thay   đổi nồng độ. Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:  aA(k) + bB(k)    cC(k) + dD(k) Ta có: Kx = Kp(P)­ n  (P: Áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng) *  n > 0: Vì KP  là hằng số   ở  nhiệt độ  xác định nên khi P tăng thì Kx  giảm, suy ra cân bằng  chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn. *  n 
  14. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Ho So   lnK = ­   +  RT R Ho,  So thường ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên: *  Ho  0 (Phản ứng thu nhiệt) Khi T tăng thì lnK tăng, tức là K tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận,  tức là chiều thu nhiệt. Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt và ngược  lại. 5. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier Một phản  ứng đang ở trạng thái cân bằng khi tác động các yếu tố  bên ngoài ( Nồng  độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại các tác động đó. PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG: * Một số bài tập nhiệt hóa học:  Ví dụ 1 :    Tính  H S , 2980 C cña Cl­(aq). Biết:  1 1 (a):  H2 +  Cl2(k)   HCl(k)       H S , 2980 C  = ­92,2(kJ) 2 2 (b): HCl(k) + aq   H+(aq) + Cl­(aq)     H S , 2980 C  = ­75,13(kJ) 1 (c):  H2 + aq   H+(aq) + e          H So, 298  = 0 2 Lời giải:  1 Lấy:  (a) + (b) – (c) ta được :  Cl2 + e + aq = Cl­(aq)   H S , 2980 C  = ­ 167,33(kJ) 2  Ví dụ 2 :    14
  15. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng : 3Fe(NO3)2(aq) + 4HNO3(aq)   3Fe(NO3)3(aq) + NO(k) + 2H2O (l) Diễn ra trong nước ở 250 C. Cho biết:                                 Fe2+(aq)      Fe3+(aq)     NO3­(aq)       NO(k)          H2O(l) H S , 2980 C  (kJ/mol) ­87,86     ­ 47,7     ­206,57        90,25          ­285,6    Lời giải: Phương trình ion của phản ứng : 3Fe2+(aq) + 4H+(aq) + NO3­(aq)   3Fe3+(aq) + NO(k) + 2H2O (l) H=3. H 0 S , 298 (Fe3+,aq)+ H 0 S , 298 (NO)+2. H 0 S , 298 (H2O(l))­3. H 0 S , 298 (Fe2+,aq)­ H 0 S , 298   (NO3­,  aq) = 3.(­47,7) + 90,25 + 2.(­285,6) + 3.87,6 + 206,57   = ­153,9(kJ)  Ví dụ 3 :    Tính  Ho của các phản ứng sau:  1) Fe2O3(r) + 2Al(r)   2Fe(r) + Al2O3(r)    ( 1) Cho biết    H 0 S , Fe2O3r = ­822,2 kJ/mol;               H 0 S , Al2O3 r  = ­1676 (kJ/mol) 3 2) S(r) +  O2(k)   SO3(k)                       (2) 2 Biết: (3)  : S(r) + O2(k)   SO2(k)     H 0 298  = ­296,6 kJ          (4): 2SO2(k) + O2(k)   2SO3(k)   H 0 298 = ­195,96 kJ Từ  kết quả  thu được và khả  năng diễn biến thực tế  của 2 phản  ứng trên có thể  rút ra kết  luận gì? Lời giải: o H pu 0 0 1) (1) =  H S , Al2O3 r ­  H S , Fe2O3r = ­1676 + 822,2 = ­ 853,8(kJ) o H pu o H pu 1 o H pu 1 2)  ( 2) =  ( 3) +  2 ( 4)  = ­296,6 ­ 2 .195,96 = ­394,58 (kJ) 15
  16. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC KL: Hai phản  ứng  (1) , (2) đều tỏa nhiệt mạnh. Song thực tế 2 phản  ứng trên không tự  xảy ra. Như vậy chỉ dựa vào  H không đủ để xác định chiều hướng của một quá  trình hóa   học.  Ví dụ 4: Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích tiêu chuẩn của các phản ứng sau ở 250C a) Fe2O3(r)  + 3CO(k)    2Fe(r) + 3CO2(k)    H 0 298 = 28,17 (kJ) b) Cthan ch×  + O2(k)  CO2 (k)      H 0 298  = ­393,1(kJ) c)   Zn(r)   + S(r)    ZnS(r)   H 0 298 = ­202,9(kJ) d) 2SO2(k) + O2(k)   2SO3(k)   H 0 298 = ­195,96 (kJ) Lời giải:  Ta có biểu thức   H =  U +  n.RT Do các phản ứng  a), b), c) có  n = 0 nên   Uo =  Ho Phản ứng  d):  Uo =  Ho ­  n.RT = ­195,96+1.8,314. 298,15. 10­3 = ­193,5 (kJ) * Một số bài tập cân bằng hóa học:  Ví   dụ   1  :  Cho  1   (mol)   PCl5  vào   bình  chân   không   thể   tích   V   đưa   lên   nhiệt   độ   5250K   :  PCl5(k)  PCl3(k)  + Cl2(k)             (1) Được thiết lập với Kp = 1,86 và áp suất của hệ là 2 atm.   a. Tính số mol mỗi chất tại cân bằng   b. Cho 1 mol PCl5 và 1 mol He vào bình kín trên ở 5250K. Tính số mol mỗi chất tại cân bằng  và cho nhận xét? Lời giải:                                       PCl5(k)                PCl3(k)      +        Cl2(k)             (1) Ban đầu        1 mol                             0                        0 Phản ứng:    x mol                            x mol                 x mol Cân bằng  1­x mol                            x mol                 x mol Vậy nhh sau phản ứng  = (1­x) + x + x  = 1+x (mol) 1 x x x Ta có PPCl 5  =  1 x .2     ; pPCl 3  =  1 x .2   và PCl 2  =  1 x .2 16
  17. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC PPCl3 .PCl2 2x 2 Áp dụng biểu thức :  Kp =   . Ta có   = 1,86 PPCl5 1 x2 Giải phương trình ta có x = 0,694(mol) Vậy tại cân bằng số mol của  PCl5(k) ;PCl3(k) và Cl2(k) lần lượt là: 0,306 ; 0,694 và 0,694 mol       b, Tại cân bằng câu a ta có  nhh sau = 1+ x  (1 x).0,082.525 nên V(bình) =   = 36,44 (lít) Phê vậy theo câu b, nếu có thêm 1 mol He thì nhh sau  = 2+x (2 x ).0,082.525 Phệ =  . Tương tự chúng ta tính được PPCl 5  ; PPCl 3  và PCl 2  tại cân bằng, thay  36,44 vào Kp của hệ nữa ta có biểu thức: x 2 0,082.525                    .  = 1,85.            1 x 36,44 Giải phương trình ta được x = 0,692 mol( t/mãn) Vậy tại cân bằng mới thì số  mol của PCl5(k) ;PCl3(k)  và Cl2 lần lượt là 0,308; 0,692 và 0,692  mol KL: Bài toán đúng với nguyên lý chuyển dịch cân bằng hóa học Ví dụ 2:  Có cân bằng : CO(K) + H2O(Hơi)  H2(K) + CO2(K)   (1) Cho vào bình phản  ứng 6 (mol) hơi H2O và 1 mol CO  ở 4600C thì thấy có 95%CO đã phản  ứng. a. Tính Kp của cân bằng trên ở 4600C  b. Cho  H  của phản ứng ở nhiệt độ trên là – 41,0 (KJ/mol). Tìm nhiệt độ mà tại đó có 99%  CO bị phản ứng? Lời giải: a.                        CO(K) + H2O(Hơi)   H2(K) + CO2(K)   (1) ban đầu             1 mol      6 mol          0             0 Phản ứng:         0,95         0,95            0,95       0,95  mol Cân bằng         0,05          5,05            0,95       0,95  mol 17
  18. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC PCO 2 .PH 2 nCO 2 .n H 2 Ta có  Kp =    =         Do  n =0 PCO .PH 2O nCO .n H 2O Thế các giá trị vào ta có : Kp = 3,574 b. Ta có ở nhiệt độ 4600C có Kp1 = 3,574 0,99.0,99    Tương tự ở t20C ta có với 99% CO bị phản ứng thì : Kp2 =   = 19,56 0,01.5,01 K2 H 1 1 Áp dụng biểu thức (21) ta có :  ln  =  ( ) K1 R T1 T2 Với K2 = 19,56 ở t20C và K1 = 3,574 ở 4600C ta có  19,56 41,0 1 1 ln  =  (  ­  .          3,574 8,134 460 273 t 2 273) Giải phương trình ta thu được t2 = 5850C Ví dụ 3(Đề thi casio khu vực năm 2011­2012): Cho cân bằng : N2(k)  + 3H2(k)    2NH3(k)       H = ­92KJ/mol Nếu xuất phát từ  hỗn hợp ban đầu là N2 và H2 theo đúng tỉ  lệ  mol là 1: 3 thì khi đạt đến   trạng thái cân bằng ở 4500C và 300atm, NH3 chiếm 36% thể tích hỗn hợp a. Tính hằng số Kp của cân bằng trên? b. Tiến hành như trên vẫn ở nhiệt độ 4500C, cần phải tiến hành ở áp suất bao nhiêu để  khi  đạt cân bằng NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? c. Giữ áp suất không đổi ở 300atm vậy cần phải tiến hành ở nhiệt độ  bao nhiêu để khi cân   bằng NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? Lời giải:  a. Giả sử số mol sau phản ứng là 1 mol. Vậy số mol của NH 3, N2 H2 lần lượt là : 0,36 ;  0,48 và 0,16 mol tương ứng với x3 , x2 , x1 (mol) x 23 0,36 2 Thay vào biểu thức Kp =  3  =   = 8,138.10­5 x1 x 2 .p 2 3 0,16.0,48 .300 2   b. Theo điều kiện cân bằng khi NH 3 chiếm 50% thể tích (hay số mol) hỗn hợp thì : Vậy số  mol của NH3, N2 H2 lần lượt là : x3 = 0,50 ; x1 = 0,125 và  x2 =  0,375 18
  19. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC ­ Vì ở nhiệt độ không đổi nên Kp không đổi, thay vào biểu thức Kp ta có: 0,50 2                 Kp =    = 8,138.10­5   .  0,125.0,375 3. p 2 Giải phương trình ta thu được p = 680atm c. Áp dụng biểu thức tương tự như câu b ví dụ 2 ta có ngay t = 3800C * Một số bài tập trong các đề thi: Bài tập 1:( Đề thi casio khu vực 2008): Tại 4000C, P = 10atm phản ứng:  N2(k) + 3H2(k)    2NH3 (k) có Kp = 1,64  10 4. Tìm % thể tích NH3  ở trạng thái cân bằng, giả thiết lúc đầu N2(k) và H2(k) có tỉ lệ số mol  theo đúng hệ số của phương trình Bài tập 2:(Đề  thi casio khu vực 2008):  Nitrosyl clorua là một chất rất độc, khi đun nóng sẽ phân huỷ thành nitơ monoxit và clo. a) Hãy viết phương trình cho phản ứng này b) Tính Kp của phản ứng ở 298K(theo atm và theo Pa).  Nitrosyl clorua Nitơ monoxit Cl2 H 0298   (kJ/mol) 51,71 90,25 ? S 0298    (J/K.mol) 264 211 223 c) Tính gần đúng Kp của phản ứng ở 475K Bài tập 3:(Đề  thi casio khu vực 2008 dự bị):  Cho các số liệu nhiệt động của một số phản ứng sau ở 298K Số phản ứng Phản ứng Ho298   (kJ) (1) 2NH3 + 3N2O   4N2 + 3H2O  1011 (2)                  N2O  + 3H2       N2H4 + H2O  317 19
  20. BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (3) 2NH3 + 0,5O2   N2H4 + H2O  143 (4)                  H2     + 0,5 O2   H2O  286                S0298 (N2H4) = 240 J/K.mol    ; S0298 (H2O) = 66,6 J/K.mol                S0298 (N2)     = 191 J/K.mol    ; S0298 (O2)    = 205 J/K.mol a) Tính nhiệt tạo thành  Ho298  của N2H4 ; N2O và NH3. b) Viết phương trình của phản  ứng cháy Hidrazin và tính   Ho298   ,  Go298   và hằng số  cân  bằng K của phản ứng này. Bài tập 4:(Đề  thi casio khu vực 2008 dự bị):  Tại 250C, phản ứng: CH3COOH + C2H5OH    CH3COOC2H5  +  H2O  có hằng số cân bằng K = 4 Ban đầu người ta trộn 1,0 mol C2H5OH với 0,6 mol CH3COOH. Tính số  mol este thu được  khi phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng. Bài tập 5:( Đề thi casio Thanh hóa năm 2011­2012): Thực hiện phản ứng:  N2O4  2NO2 ở áp suất 1atm, với độ phân li là 11%  a) Tính hằng số cân bằng Kp theo atm và pa b) Độ  phân li sẽ  thay đổi như  thế  nào khi áp suất của hệ  giảm đi từ  1 atm xuống 0,8  atm. Từ đó rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của áp suất đến phản ứng. Bài tập 6 :(Đề thi casio tỉnh Đồng Tháp năm học 2011­2012): Ở  100 0C hằng số cân bằng của phản ứng:    N2O4(k)     2NO2(k) là 4           Tính thành phần phần trăm số mol của hỗn hợp khi áp suất chung của hệ lần lượt là  2atm và 20 atm. Từ đó hãy rút ra kết luận về ảnh hưởng của áp suất đến sự chuyển dịch cân bằng. Bài tập 7: ( Đề thi casio tỉnh Quảng Ngãi năm học 2009­2010): Xác định nhiệt hình thành của AlCl3. Biết: 20
nguon tai.lieu . vn