bài tập lớn học phần nhiệt động hóa học tên đề tài bài tập về cân bằng hóa học và cân bằng pha

Nhiệt động hóa học có ứng dụng rất quan trọng trong hóa học vì không những cho phép đánh giá hoặc tính toán năng lượng trao đổi trong một phản ứng, như chúng ta sẽ thấy, mà còn cho phép

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI

BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG PHA

Năm học: 2023 – 2024

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN LÊ MỸ LINH

HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN : NGUYỄN THỊ HOÀI ANH

MÃ SỐ SINH VIÊN : 21S1070013

CHUYÊN NGÀNH : SP KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

i

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN NỘI DUNG 2

CHƯƠNG I: TÓM TẮT LÝ THUYẾT VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG PHA 2

1.1 Cân bằng hóa học 2

1.1.1 Điều kiện cân bằng hóa học Định luật tác dụng khối lượng 2

1.1.2 Mối liên hệ giữa K p , K c , K x , K n đối với khí lý tưởng 3

1.1.3 Quan hệ giữa biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hóa học và hằng số cân bằng Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff 4

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học 4

1.1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 4

1.1.4.2 Ảnh hưởng của áp suất 5

1.2 Cân bằng pha 5

1.2.1 Điều kiện cân bằng pha 5

1.2.2 Quy tắc pha Gibbs 5

1.2.3 Cân bằng pha trong hệ một cấu tử 6

CHƯƠNG 2: BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG PHA 7

2.1 Bài tập về cân bằng hóa học 7

2.2 Bài tập về cân bằng pha 12

PHẦN KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

ii

nhiệt đẳng áp)

concentration

hằng số cân bằng biểu diễn qua

suất P

mol n

fraction

hằng số cân bằng biểu diễn qua

phân số mol x

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 1

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đã từ lâu nhiệt động hóa học có ứng dụng rộng rãi trong hóa học, luyện kim, kỹ thuật nhiệt và trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác Áp dụng nhiệt động hóa học trong công nghệ sản xuất hóa học có ảnh hưởng đến phát triển công nghiệp hóa học góp phần to lớn vào sự phát triển của khoa học công nghệ - kĩ thuật và đời sống xã hội

Nhiệt động hóa học là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học, nghiên cứu những định luật chi phối sự trao đổi năng lượng, đặc biệt là những định luật liên quan đến sự biến đổi nhiệt thành dạng năng lượng khác Nhiệt động hóa học có ứng dụng rất quan trọng trong hóa học vì không những cho phép đánh giá hoặc tính toán năng lượng trao đổi trong một phản ứng, như chúng ta sẽ thấy, mà còn cho phép nghiên cứu sự tiến triển của một phản ứng, hướng và giới hạn diễn biến của một quá trình

Nhiệt động hóa học dựa vào những định luật cơ bản của nhiệt động học để khảo sát các hiện tượng hóa học, đặc biệt các hiện tượng hóa lý Nhiệt động hóa học nghiên cứu chủ yếu những vấn đề sau: nhiệt hóa học, cân bằng pha, cân bằng hóa học

Cân bằng hóa học và cân bằng pha đều là những khái niệm cốt lõi trong nhiệt động hóa học, có nhiều ứng dụng trong thực tiễn đời sống và công nghiệp như: công nghiệp hóa học, công nghệ chế biến thực phẩm, công nghệ môi trường, năng lượng và nhiệt động học, y học và dược phẩm,

Xuất phát từ những lý do trên, thời gian qua đã có rất nhiều bài nghiên cứu khoa học về nhiệt động hóa học và những bài tập liên quan đến môn khoa học này Bản thân

em được phân công nghiên cứu đề tài:“Bài tập về cân bằng hóa học và cân bằng pha”

để thực hiện bài tập lớn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Trình bày được tóm tắt lý thuyết, công thức cơ bản về cân bằng hóa học và cân

bằng pha

- Trình bày được các dạng bài tập và phương pháp giải các bài tập liên quan đến cân bằng hóa học và cân bằng pha

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của đề tài nói trên, cần phải thực hiện các nhiệm

vụ nghiên cứu như sau:

- Hệ thống hóa được lý thuyết, tóm tắt các công thức cơ bản để ứng dụng thực hiện các bài tập về cân bằng pha và cân bằng hóa học

- Trình bày được một số dạng bài tập điển hình liên quan đến cân bằng hóa học

và cân bằng pha

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 2

- Từ những kiến thức tìm hiểu được đưa ra những dạng bài tập và phương pháp giải các bài tập liên quan đến cân bằng pha và cân bằng hóa học

4 Đối tượng nghiên cứu

Bài tập liên quan đến cân bằng hóa học và cân bằng pha

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

- Phương pháp hỏi ý kiến chuyên gia

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: TÓM TẮT LÝ THUYẾT VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

VÀ CÂN BẰNG PHA 1.1 Cân bằng hóa học

1.1.1 Điều kiện cân bằng hóa học Định luật tác dụng khối lượng

* Điều kiện cân bằng hóa học

𝜈1𝐴1+ 𝜈2𝐴2 + ⇌ 𝜈1′𝐵1+ 𝜈2′𝐵2+

T, P = const

T, V = const

* Định luật tác dụng khối lượng

- Phương pháp nhiệt động học:

Giả sử các chất tham gia phản ứng và tạo thành là các khí lý tưởng:

RT

T = const:

Hay:

lnPBν11′ + lnPB

2

ν2′

1

2

ν 2− = lnPB1

ν1′P B2 ν2′

PA1ν1PA2ν2 = lnKp

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 3

Suy ra:

PB

1

ν1′

PB

2

ν2′

PA

1

ν 1PA

2

ν 2 = Kp

thuộc áp suất chung và áp suất riêng phần của các chất trong hỗn hợp ban đầu

* Phát biểu định luật:

Ở điều kiện cân bằng tích các áp suất riêng của các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng có số mũ là các hệ số tỉ lượng với dấu tương ứng là một hằng số

ν1′

2

ν2′

1

ν 1CA

2

ν 2

ν1′

𝑥B

2

ν2′

𝑥A

1

ν1

𝑥A

2

ν2

phân số mol

định theo biểu thức:

ν1′

2

ν2′

1

ν 1𝑛A

2

ν 2

diễn qua số mol n

1.1.2 Mối liên hệ giữa K p , K c , K x , K n đối với khí lý tưởng

∑ ni)

∆𝜈

* Nhận xét:

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 4

1.1.3 Quan hệ giữa biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hóa học và hằng số cân bằng Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff

Xét phản ứng: 𝜈1𝐴1+ 𝜈2𝐴2 + ⇌ 𝜈1′𝐵1+ 𝜈2′𝐵2+

Để đánh giá chiểu diễn biến của phản ứng hóa học, người ta sử dụng phương

ν1′

PB

2

ν2′

PA

1

ν 1PA

2

ν 2 Nếu

PB

1

ν1′

PB

2

ν2′

PA

1

ν1

PA

2

ν2

Ta có phương trình:

ν1′

PB

2

ν2′

PA

1

ν 1PA

2

ν 2 .)

Đặt 𝑄 =PB1 ν1′P

B2 ν2′

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

1.1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hằng số cân bằng sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Mối quan hệ hàm số này được biểu diễn bằng phương trình đẳng áp Van’t Hoff:

∆𝐻

Lấy tích phân không cận:

Lấy tích phân có cận:

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 5

𝑙𝑛𝐾𝑇2

∆𝐻

1

1

𝑇1) 1.1.4.2 Ảnh hưởng của áp suất

vào áp suất vừa phụ thuộc vào nhiệt độ

∆𝜈

∆𝑉 𝑅𝑇

∆𝑉 = 0: Áp suất không ảnh hưởng đến hằng số cân bằng

1.2 Cân bằng pha

1.2.1 Điều kiện cân bằng pha

- Cân bằng nhiệt: Nhiệt độ các pha phải như nhau

- Cân bằng cơ: Áp suất chung trên các pha phải bằng nhau

- Cân bằng hóa: Hóa thể mỗi cấu tử trong các pha phải bằng nhau

𝜇1𝛼 = 𝜇1𝛽 = 𝜇1𝛾 = = 𝜇1𝑝

𝜇2𝛼 = 𝜇2𝛽 = 𝜇2𝛾 = = 𝜇2𝑝

𝜇𝑛𝛼 = 𝜇𝑛𝛽 = 𝜇𝑛𝛾 = = 𝜇𝑛𝑝

1.2.2 Quy tắc pha Gibbs

Số bậc tự do: f = c – p + 2

Trong đó: f – số bậc tự do; c – số hợp phần; p – số pha trong hệ

Nếu T hay P = const thì f = c – p + 1

Nếu T, P = const thì f = c – p

f chỉ nhận các giá trị nguyên dương và bằng 0:

c – p + 2 ≥ 0 Nên số pha cực đại tồn tại là:

p ≤ c + 2

Chú ý: đối với hệ có phản ứng hóa học xảy ra, quy tắc pha được viết lại như sau

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 6

giữa các chất có mặt trong hệ, a là số các hệ thức phụ thể hiện sự ràng buộc về mặt thành phần (số mol, nồng độ) của các chất)

1.2.3 Cân bằng pha trong hệ một cấu tử

Đối với chất nguyên chất việc chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác, như sự nóng chảy, sự bay hơi đối với chất lỏng; sự thăng hoa đối với chất rắn, sự biến hóa từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác của một chất rắn, được

mô tả bằng phương trình Clapeyron – Clausius

* Phương trình Clapeyron – Clausius:

𝑑𝑃

∆𝐻 𝑇∆𝑉 Trong đó:

- ∆𝐻 là biến thiên enthalpy của quá trình chuyển pha (hóa hơi, nóng chảy, thăng hoa, chuyển đổi dạng thù hình, )

- T là nhiệt độ của quá trình chuyển pha

- ∆𝑉 là biến thiên thể tích của quá trình chuyển pha

Lưu ý: thứ nguyên của biến thiên enthalpy của quá trình chuyển pha phải phù hợp với thứ nguyên của áp suất và biến thiên thể tích Do đó thứ nguyên của biến thiên enthalpy thường dùng là L.atm

* Áp dụng phương trình Clapeyron – Clausius cho quá trình nóng chảy

𝑑𝑃

𝑇∆𝑉

- Nếu ∆V > 0 thì dP/dT < 0 Nghĩa là khi áp suất bên ngoài tăng thì nhiệt độ nóng chảy sẽ tăng

- Nếu ∆V < 0 thì dP/dT > 0 Nghĩa là khi áp suát bên ngoài tăng thì nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm

* Áp dụng phương trình Clapeyron – Clausius cho quá trình hóa hơi

Xét quá trình hóa hơi của một chất lỏng: Lỏng (l)⇌ Hơi (g)

Phương trình Clapeyron – Clausius áp dụng cho quá trình này như sau:

𝑑𝑃

𝑇∆𝑉

V = RT/P, thay giá trị V vào phương trình trên ta được:

𝑑𝑃

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 7

𝑑𝑃

phân tích không cận, ta thu được công thức sau:

Ngoài ra, có thể viết lại công thức như sau:

𝑇 Trong đó A, B là các hằng số, cụ thể A chính là hằng số C trong phương trình và

𝑅𝑇 Lấy tích phân có cận ta thu được công thức sau:

𝑙𝑛𝑃2

1

1

𝑇1)

* Áp dụng phương trình Clapeyron – Clausius cho quá trình thăng hoa

Phương trình Clapeyron – Clausius áp dụng cho quá trình thăng hoa tương tự như quá trình hóa hơi, chỉ thay nhiệt hóa hơi bằng nhiệt thăng hoa và áp suất hơi bão hòa của chất lỏng bằng áp suất hơi bão hòa của chất rắn

𝐵 𝑇

𝑙𝑛𝑃2

1

1

𝑇1)

CHƯƠNG 2: BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG PHA 2.1 Bài tập về cân bằng hóa học

[7]Câu 1: Ở 323K và 0,334 atm, trong phản ứng:

Giải:

Căn cứ vào phương trình phản ứng, ta có:

2

𝑥N2O4

phân số mol các cấu tử trên lần lượt sẽ là:

1 − α

1 + α

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 8

2α

1 + α

Do đó:

2α

2

(1 − α1 + α)

2

2

Giải:

Hằng số cân bằng của phản ứng

có dạng:

[H2][I2]

trị số khi thay nồng độ bằng số mol

= 50,

[HI]

⟹ [HI] = 5,75 (mol)

[4]Câu 3: Cho biết:

2CO(k) ⇄ Cgr + CO2(k) (a)

b Tính áp suất riêng phân của CO và CO2 của phản ứng (a) khi cân bằng ở 1000K, nếu áp suất tổng cộng của hệ khi cân bằng là 1 atm

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 9

d Tăng nhiệt độ và áp suất của hệ (a) có ảnh hưởng như thế nào đến cân bằng?

e Tính Kp của các phản ứng sau ở 1000K:

1

2 CO2(k) (b)

Cgr+ CO2(k) ⇄ 2CO(k) (c)

Giải:

Kp = 𝑒−

2500 8,314×1000 = 0,74

𝑥2

c Ở trên ta tìm được

ứng: ∆𝜈 = 1 − 2 = −1 < 0

d Vì ∆H < 0 nên khi tăng nhiệt độ cân bằng bị chuyển dịch sang phía thu nhiệt (từ phải sang trái), nghĩa là tăng hiệu suất chuyển hóa thành CO

Tăng áp suất: cân bằng bị dịch chuyển sang phía giảm áo suất, nghĩa là sang phía

có ít phân tử khí hơn (từ trái sang phải)

e Phản ứng (b):

2CO(k)

∆G2°

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 10

Phản ứng (c):

1

suất tổng cộng của hệ khi cân bằng là 1 atm

Cho biết: P = 31, Cl = 35,5

Giải:

a PCl5(k) ⇄ PCl3(k) + Cl2(k)

ban đầu: a mol 0 0

cân bằng: a − aα aα aα

2α2

1 − α

∆ν

2

1

2

2

Ban đầu: 0,05 M 0 0

Cân bằng: 0,05 – 𝑥 x x

x là nồng độ mol.L−1 của PCl5 bị phân hủy khi đạt tới cân bằng:

2

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 11

Áp suất của hệ khi cân bằng:

0,0663 × 0,082 × 473

[8]Câu 5: Ở 1000°K hằng số cân bằng của phản ứng

Xác định thành phần pha khí ở cân bằng tại 1000°K và 1200°K, biết áp suất tổng cộng là 1 atm

Giải:

* Ở 1000°K:

phương trình:

𝐾𝑝 =𝑥𝐶𝑂2

𝑥𝐶𝑂2 11

1 − 𝑥 𝐶𝑂

Giải phương trình và loại nghiệm âm, ta được:

* Ở 1200°K:

ln𝐾𝑃,𝑇2

∆𝐻

1

1

𝑇1)

ln𝐾𝑃,1200

41130

1

1

Thay vào phương trình (a) được:

Giải và loại nghiệm âm ta được:

Như vậy, do phản ứng trên thu nhiệt (∆𝐻 > 0), nên khi tăng nhiệt độ, phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận, làm cho thành phần của sản phẩm trong hỗn hợp cân bằng tăng lên

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 12

Giải:

Chấp nhận hiệu ứng nhiệt không phụ thuộc T, do đó

∆H =

RT1 T2lnKP,T2

KP,T1

RT1lnKP,T2

KP,T1

∆H

111300 suy ra T = 814 (K)

2.2 Bài tập về cân bằng pha

[4]Câu 1: Tính bậc tự do của những hệ cân bằng sau:

nhau tạo thành dung dịch lí tưởng);

g Hg(I) ⇄ Hg(h)

Giải:

f = c – p + 2 = 2 – 2 + 2 = 2

f = c – p + 2 = 2 – 1 + 2 = 3

Phản ứng này có số mol khí ở hai vế bằng nhau nên áp suất không ảnh hưởng đến

cân bằng, do đó: f = c – p + 1 = 3 – 3 + 1 = 1

f = c – p + 2 = 3 – 1 + 1 = 3

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 13

3O2(k)

f = c – p + 2 = 2 – 2 + 2 = 2

g Hg(I) ⇄ Hg(h)

f = c – p + 2 = 1 – 2 + 2 = 1

[5]Câu 2: Xác đinh số hợp phần, số cấu tử và số pha, bậc tự do của các hệ sau:

a Hơi benzene nguyên chất nằm cân bằng với benzene lỏng ở P không đổi

Giải:

a Số hợp phần = 1 Số cấu tử = 1 Số pha = 2 Bậc tự do f = c – p + 1 = 0

b Số hợp phần = 3 Số cấu tử = 3 Số pha = 1 Bậc tự do f = c – p + 1 = 3

c Số hợp phần = 2 Số cấu tử = 2 Số pha = 1 Bậc tự do f = c – p + 1 = 2

[10]Câu 3: Tính nhiệt độ sôi của nước ở 2 atm, biết nhiệt hóa hơi của nó là 538,1 cal/g

(coi nhiệt hóa hơi không thay đổi trong khoảng từ 1 atm đến 2 atm)

Giải:

Áp dụng công thức:

lnP2

1

1

T1)

9685,8

1

1

T1)

Từ đó ta tính được: T = 394K = 121℃

[6]Câu 4: Tính nhiệt nóng chảy của 1 mol diphenylamine nếu 1kg diphenylamine nóng

nóng chảy của diphenylamine là 54℃, khối lượng mol của chất này là 169 g/m

Giải:

Áp dụng phương trình Clapeyron – Clausius, ta có:

dT

T∆V

∆H

dT dP

169

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 14

[2]Câu 5: Áp suất hơi bão hòa của acid cyanhydric HCN phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình:

T Xác định nhiệt độ sôi và nhiệt hóa hơi của nó ở điều kiện thường

Giải:

Nhiệt độ sôi của acid cyanhydric HCN ở áp suất 760 mmHg:

T

⇒ T = 297,4K = 24,4℃

Vậy nhiệt độ sôi của acid cyanhydric HCN là 24,4℃

Lấy đạo hàm hai vế phương trình theo T, ta được:

dlgP

1237

Mà:

dlgP

Vậy nhiệt độ sôi của acid cyanhydric HCN là 24,4℃

Nhiệt hóa hơi của acid cyanhydric HCN là 5660 (cal/mol)

[6]Câu 6: Áp suất hơi của nickel carbonyl ở 0℃ và 13℃ là 129 và 224 mmHg

Tìm nhiệt độ sôi chuẩn của nickel carbonyl

Giải:

Áp dụng phương trình Clapeyron – Clausius dạng

ta có

{

B = 7,383 Vậy

=> T = 319,9 K (46,7℃)

SVTH: Nguyễn Thị Hoài Anh – 21S1070013 15

PHẦN KẾT LUẬN

Qua một quá trình nghiên cứu, phân tích và tổng hợp tài liệu liên quan đến bài tập về cân bằng pha và cân bằng hóa học, bài tập lớn này được trình bày một cách logic, khoa học, rõ ràng về các mục lý thuyết và các dạng bài tập về cân bằng hóa học và cân bằng pha

Về bài tập cân bằng hóa học nắm được điều kiện cân bằng hóa học, phát biểu được định luật tác dụng khối lượng; trình bày được các loại hằng số cân bằng và mối liên hệ giữa các hằng số cân bằng, quan hệ giữa biến thiên thế đẳng áp và hằng số cân bằng của phản ứng hóa học; xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học (nhiệt độ, áp suất, )

Về bài tập cân bằng pha xác định được bậc tự do của hệ, trình bày được quy tắc pha Gibbs Nắm được kiến thức các chất nguyên chất chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác (sự nóng chảy, sự bay hơi đối với chất lỏng, sự thăng hoa đối với chất rắn, sự biến hóa từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác của một chất rắn) được mô tả bằng phương trình Clapeyron – Clausius Từ đó ứng dụng giải quyết các bài toán xác định nhiệt chuyển pha, nhiệt độ chuyển pha, áp suất chuyển pha từ phương trình Clapeyron – Clausius

hóa học và cân bằng pha trong môn Nhiệt động hóa học cũng như trong cuộc sống, nắm vững được những kiến thức cơ bản để có thể ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống, giải quyết được các bài tập liên quan đến cân bằng hóa học và cân bằng pha