MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG HÓA HỌC HỌC VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài II. Mục đích nghiên cứu III. Nhiệm vụ IV. Giả thuyết khoa học V. Phương pháp nghiên cứu VI. Điểm mới của đề tài PHẦN II: NỘI DU NG NHẮC LẠI VÀ BỔ SUNG MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC. TỐC ĐỘ CỦA CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC
CHUYÊN ĐỀ DUYÊN HẢI BẮC BỘ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG HÓA HỌC HỌC VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI NĂM HỌC 2016-2017 MỤC LỤC NỘI DUNG Trang PHẦN I: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu III Nhiệm vụ IV Giả thuyết khoa học V Phương pháp nghiên cứu VI Điểm đề tài 5 PHẦN II: NỘI DU NG NHẮC LẠI VÀ BỔ SUNG MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC TỐC ĐỘ CỦA CÁC PHẢN ỨNG HỐ HỌC Các ví dụ minh họa: GIƠÍ THIỆU MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐỘNG HÓA HỌC 15 PHẦN III: KẾT LUẬN 61 Tài liệu tham khảo 62 PHẦN I: MỞ ĐẦU I Lí chọn đề tài Đầu kỉ XXI, giáo dục giới có bước tiến lớn với nhiều thành tựu mặt Hầu hết quốc gia nhận thức cần thiết cấp bách phải đầu tư cho giáo dục Luật Giáo dục 2005 nước ta khẳng định: “Phát triển giáo dục quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dưỡng nhân tài” Như vậy, vấn đề bồi dưỡng nhân tài nói chung, đào tạo học sinh giỏi, học sinh chuyên nói riêng nhà nước ta đầu tư hướng đến Trong hội nghị toàn quốc trường THPT chuyên, nguyên Bộ trưởng Bộ GD&ĐT Nguyễn Thiện Nhân nhấn mạnh: “Hội nghị tổ chức nhằm tổng kết kết đạt được, hạn chế, bất cập, đồng thời đề mục tiêu, giải pháp nhằm xây dựng, phát triển trường THPT chuyên thành hệ thống trường THPT chuyên chất lượng cao làm nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng tài trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển đất nước thời kỳ đổi hội nhập” Hệ thống trường THPT chuyên đóng góp quan trọng việc phát hiện, bồi dưỡng học sinh khiếu, tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho đất nước, đào tạo đội ngũ học sinh có kiến thức, có lực tự học, tự nghiên cứu, đạt nhiều thành tích cao góp phần quan trọng nâng cao chất lượng hiệu giáo dục phổ thông Tuy nhiên hạn chế, khó khăn hệ thống trường THPT chuyên toàn quốc gặp phải chương trình, sách giáo khoa, tài liệu cho mơn chun cịn thiếu, chưa cập nhật liên kết trường Bộ Giáo Dục Đào tạo chưa xây dựng chương trình thức cho học sinh chuyên nên để dạy cho học sinh, giáo viên phải tự tìm tài liệu, chọn giáo trình phù hợp, phải tự xoay sở để biên soạn, cập nhật giáo trình Bộ mơn Hóa học môn khoa học bản, quan trọng Mỗi mảng kiến thức vô rộng lớn Đặc biệt kiến thức giành cho học sinh chuyên hóa, học sinh giỏi cấp khu vực, cấp Quốc Gia, Quốc tế Trong động hóahọc nội dung quan trọng Phần thường có đề thi học sinh giỏi lớp 10, 11 khu vực; Olympic trại hè Hùng Vương Duyên Hải Bắc đề thi học sinh giỏi Quốc Gia, Quốc Tế Tuy nhiên, thực tế giảng dạy trường phổ thơng nói chung trường chuyên nói riêng, việc dạy học phần kiến thức động hố gặp số khó khăn: - Đã có tài liệu giáo khoa dành riêng cho học sinh chun hóa, nội dung kiến thức lí thuyết động hố cịn sơ sài chưa đủ để trang bị cho học sinh, chưa đáp ứng yêu cầu kì thi học sinh giỏi cấp - Tài liệu tham khảo mặt lí thuyết thường sử dụng tài liệu bậc đại học, cao đẳng biên soạn, xuất từ lâu Khi áp dụng tài liệu cho học sinh phổ thơng gặp nhiều khó khăn Giáo viên học sinh thường không đủ thời gian nghiên cứu khó xác định nội dung cần tập trung vấn đề - Trong tài liệu giáo khoa chun hóa lượng tập ít, làm HS khơng đủ “lực” để thi đề thi khu vực, HSGQG, Quốc Tế năm thường cho rộng sâu nhiều Nhiều đề thi vượt chương trình - Tài liệu tham khảo phần tập vận dụng kiến thức lí thuyết động hố ít, chưa có sách tập dành riêng cho học sinh chuyên hóa nội dung Để khắc phục điều này, tự thân GV dạy trường chuyên phải tự vận động, nhiều thời gian công sức cách cập nhật thông tin từ mạng internet, trao đổi với đồng nghiệp, tự nghiên cứu tài liệu…Từ đó, GV phải tự biên soạn nội dung chương trình dạy xây dựng hệ thống tập để phục vụ cho cơng việc giảng dạy Xuất phát từ thực tiễn đó, giáo viên trường chun, chúng tơi mong có nguồn tài liệu có giá trị phù hợp để giáo viên giảng dạy - bồi dưỡng học sinh giỏi cấp học sinh có tài liệu học tập, tham khảo Trong năm học tập trung biên soạn chuyên đề : ĐỘNG HÓA HỌC Trong thời gian tới nhờ quan tâm đầu tư nhà nước, Bộ Giáo Dục với nỗ lực giáo viên dạy chuyên, giao lưu học hỏi, chia sẻ kinh nghiệm trường chuyên khu vực nước chúng tơi hi vọng có tài liệu phù hợp, đầy đủ giành cho giáo viên học sinh chuyên II Mục đích nghiên cứu Đúc rút tổng kết kinh nghiệm nhiều năm giảng dạy đội tuyển hoá học quốc gia để từ hồn thành chun đề ‘MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG HÓA HỌC VÀ BÀI TẬP DÙNG CHO BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MƠN HỐ HỌC ‘ để làm tài liệu phục vụ cho giáo viên trường chuyên giảng dạy, ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp làm tài liệu học tập cho học sinh chuyên hố Ngồi cịn tài liệu tham khảo cho giáo viên mơn hóa học học sinh u thích mơn hóa học nói chung III Nhiệm vụ 1- Nghiên cứu chương trình hóa học phổ thơng nâng cao chun hóa học, phân tích đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh, khu vực, cấp quốc gia, quốc tế sâu nội dung liên quan đến vấn đề động hoá 2- Sưu tầm, lựa chọn tài liệu giáo khoa, sách tập cho sinh viên, tài liệu tham khảo Các đề thi học sinh giỏi cấp có nội dung liên quan; phân loại, xây dựng tập lí thuyết tính tốn tổng hợp 3- Đề xuất phương pháp xây dựng sử dụng hệ thống tập dùng cho việc giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp trường THPT chuyên IV Giả thuyết khoa học Nếu giáo viên giúp học sinh nắm vững vấn đề lí thuyết xây dựng hệ thống tập chất lượng, đa dạng, phong phú đồng thời có phương pháp sử dụng chúng cách thích hợp nâng cao hiệu trình dạy- học bồi dưỡng học sinh giỏi, chuyên hóa học V Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu thực tiễn dạy học bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học trường THPT chuyên - Nghiên cứu tài liệu phương pháp dạy học hóa học, tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi, đề thi học sinh giỏi, - Thu thập tài liệu truy cập thơng tin internet có liên quan đến đề tài - Đọc, nghiên cứu xử lý tài liệu VI Điểm chuyên đề - Chuyên đề xây dựng hệ thống hệ thống lí thuyết có mở rộng nâng cao đầy đủ hệ thống tập có phân loại rõ ràng dạng câu hỏi lí thuyết, dạng tập động hoá học để làm tài liệu phục vụ cho học sinh giáo viên trường chuyên học tập giảng dạy, ơn luyện, bồi dưỡng kì thi học sinh giỏi cấp làm tài liệu học tập cho học sinh đặc biệt cho học sinh chuyên động hố Ngồi cịn tài liệu tham khảo mở rộng nâng cao cho giáo viên mơn hóa học học sinh u thích mơn hóa học nói chung - Đề xuất phương pháp xây dựng sử dụng có hiệu hệ thống tập hóa học PHẦN : NỘI DUNG NHẮC LẠI VÀ BỔ SUNG MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC 1.TỐC ĐỘ CỦA CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC 1.1 Khả tơc độ phản ứng hóa học Phản ứng: 3H2 + N2 → 2NH3 NH3 ∆fH0298 (kJ.mol-1) -46 S0298 (J.mol-1.K-1) 192,5 H2 N2 130,7 191,6 Tính ∆G0298 phản ứng (1) ∆G0298 = ∆H - T∆S = 2(-46) -298(2.0,1925 – 0,1916 – 3.0,1307) = -32,8 kJ Phản ứng có khả tự diễn theo chiều tạo thành NH3 Trong thực tế, 298K không nhận phản ứng N2 với H2 tốc độ phản ứng nhỏ (cản trở động học) 1.2 Định nghĩa tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng hóa học biến thiên nồng độ chất phản ứng sản phẩm đơn vị thời gian chia cho hệ số tỉ lượng chất nghiên cứu phương trình phản ứng cân Tốc độ phản ứng đặc trưng cho khả xảy nhanh chậm phản ứng điều kiện định Thứ nguyên tốc độ phản ứng thường nồng độ/thời gian Các phản ứng pha khí sử dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng để tìm liên quan tốc độ phản ứng biến thiên áp suất riêng phần khí hỗn hợp (khi tốc độ phản ứng có thứ nguyên áp suất/thời gian) ĐỊNH LUẬT TỐC ĐỘ VÀ BẬC PHẢN ỨNG Biểu thức liên hệ tốc độ phản ứng hoá học với nồng độ chất tham gia phản ứng gọi định luật tốc độ phản ứng hoá học Khi A B chất phản ứng, định luật tốc độ có dạng: v = k[A]x[B]y (3) k số tốc độ, x bậc phản ứng riêng phần chất A, y bậc phản ứng riêng phần chất B (x + y) bậc toàn phần phản ứng, Biểu thức gọi định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng Với phản ứng đơn giản tức phản ứng diễn theo giai đoạn (cũng thường gọi phản ứng sơ cấp), x y trùng với hệ số tỉ lượng chất phản ứng phương trình phản ứng cân Đối với phản ứng phức tạp, diễn theo nhiều giai đoạn, bậc phản ứng x y trùng khơng trùng với hệ số tỉ lượng Vì thế, phản ứng phức tạp, dựa vào hệ số tỉ lượng để đưa biểu thức định luật tốc độ mà phải dựa vào thực nghiệm Chẳng hạn phản ứng oxi hóa NO O2: 2NO + O2 NO2 (4) Thực nghiệm cho biết tốc độ oxi hóa NO diễn tả biểu thức: v = k.[NO] [O2] Như vậy, bậc phản ứng riêng phần NO 2, bậc phản ứng riêng phần O 1, trùng với hệ số tỉ lượng Nhưng nhiều phản ứng phức tạp, hệ số x, y không trùng với hệ số tỉ lượng Chẳng hạn phản ứng khử NO hydro: 2NO + 2H2 N2 + 2H2O (5) có biểu thức định luật tốc độ thực nghiệm v = k.[NO] 2[H2] Như thế, bậc phản ứng riêng phần H2 1, hệ số tỉ lượng phương trình phản ứng Thậm chí, x y nhận giá trị khơng phải số nguyên không Chẳng hạn như, với phản ứng clo hóa cloroform: CHCl3(k) + Cl2(k) CCl4(l) + HCl(k) (6) có định luật tốc độ diễn tả biểu thức: v = k[CHCl3][Cl2]1/2 Từ biểu thức định luật tác dụng khối lượng, ta dễ dàng tìm thứ nguyên số tốc độ phản ứng Chẳng hạn như, tốc độ phản ứng phân hủy N2O5: 2N2O5 2NO2 + O2 (7) diễn tả biểu thức: v = k[N 2O5] Nếu v có thứ nguyên mol.L -1.s-1 [N2O5] có thứ nguyên mol.L -1 ta có thứ nguyên k: = s-1 Nếu phản ứng bậc 2, thứ nguyên k là: = mol-1.L.s-1 Các ví dụ minh họa: VD Khi tốc độ phản ứng biểu thị mol.L 1.s1, số tốc độ phản ứng bậc có đơn vị nào? Giải Phản ứng bậc 2: v = k[A]2 thứ nguyên số tốc độ phản ứng bậc 2: = L.mol1.s1 Chú ý: thứ nguyên tốc độ phản ứng thường mol.L 1.s1 Đây chìa khố đẻ giải liên quan đến thứ nguyên số tốc độ VD Phản ứng NO H2 biểu diễn phương trình sau: 2NO (k) + 2H2 (k) N2 (k) + 2H2O (k), Tốc độ phản ứng liên hệ với nồng độ chất tham gia phản ứng biểu thức: v = k[NO] [H2] Đơn vị số tốc độ k thời gian giây(s) nồng độ mol /L? Giải 2NO (k) + 2H2 (k) N2 (k) + 2H2O (k) v = k[NO]2 [H2] Thứ nguyên k: = l2.mol2.s1 VD Bậc toàn phần phản ứng thứ nguyên số tốc độ phản ứng k L.mol 1.s1? Giải v = k.[A]m thứ nguyên [A]m = (mol.L-1)m = thứ nguyên = mol2.l2 = (mol.L-1)2 phản ứng bậc PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, THỜI GIAN PHẢN ỨNG BÁN PHẦN VÀ XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG 3.1 Phương trình động học thời gian phản ứng bán phần a) Phản ứng bậc Giả sử có phản ứng: A sản phẩm phản ứng bậc A Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho phản ứng bậc không định nghĩa tốc độ phản ứng ta có: v= = k [A]0 = k Rút ra: d[A] = kdt (8) (8) gọi phương trình động học dạng vi phân phản ứng bậc Lấy tích phân (8) ta có: [A] = kt + C (9) với C số tích phân Khi t = [A] = [A]0 = C Thay C = [A]0 , thay vào (9) ta thu dược: [A] = [A]0 kt (10) (10) gọi phương trình động học tích phân phản ứng bậc Từ (10) rút phản ứng bậc 0, nồng độ chất phản ứng giảm tuyến tính với thời gian Thời gian cần thiết để nồng độ chất phản ứng lại nửa so với ban đầu gọi thời gian phản ứng bán phần kí hiệu t1/2 Từ (10) rút thời gian phản ứng bán phần phản ứng bậc 0: t1/2 = Thời gian phản ứng bán phần phản ứng bậc tỉ lệ thuận với nồng độ đầu chất phản ứng b) Phản ứng bậc Khi phản ứng bậc A, áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho phản ứng bậc không định nghĩa tốc độ phản ứng ta thu phương trình động học dạng vi phân phản ứng bậc 1: v= = k[A] (11) Sự tích phân (11) cho: [A] = [A]0.ekt (12) Như vậy, phản ứng bậc nồng độ chất phản ứng giảm theo thời gian dạng hàm mũ Lấy logarit hai vế (12) thu được: ln[A] = ln[A]0 – kt (13) Trong phản ứng bậc 1, logarit nồng độ chất phản ứng giảm tuyến tính theo thời gian Khi [A] = [A]0/2, ta có: t1/2 = (14) Thời gian phản ứng bán phần phản ứng bậc không phụ thuộc vào nồng độ đầu chất phản ứng Đáng ý trình phân rã phóng xạ xảy theo quy luật động học bậc 1: N = N0.e-kt với N0 số hạt nhân ban đầu đồng vị phóng xạ (t=0), N số hạt nhân đồng vị phóng xạ ban đầu lại thời điểm t, k số tốc độ phân rã phóng xạ (thường kí hiệu ) Giá trị thời gian phản ứng bán phần t 1/2 thường gọi chu kì bán rã Đó thời gian để 50% số hạt nhân ban đầu bị phân rã để tạo hạt nhân khác c) Phản ứng bậc Trong trường hợp tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất A, phương trình động học vi phân phản ứng bậc có dạng: v= = k[A]2 (13) Sự tích phân phương trình (13) cho phương trình động học tích phân phản ứng bậc 2: (14) (14) cho thấy phản ứng bậc phụ thuộc (1/[A]) = f(t) tuyến tính Từ (14) đễ dàng rút ra: t1/2 = (15) Thời gian phản ứng bán phần phản ứng bậc tỉ lệ nghịch với nồng độ đầu chất phản ứng Câu hỏi: Đồ thị tương ứng với thay đổi nồng độ chất phản ứng phản ứng bậc nhất? 10