Trong chương trình Hóa học phổ thông, khi giảng dạy phần cân bằng hoáhọc cho học sinh, đặc biệt là các em trong đội tuyển thi học sinh giỏi thì đây luôn là vấn đề trừu tượng và rất khó h
Trang 1PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong giai đoạn hiện nay, giáo dục đang đứng trước một thực trạng nan giải,
đó là thời gian học có hạn trong khi lượng kiến thức nhân loại phát triển lại rất
nhanh Vì vậy, vấn đề quan trọng mang tính thời sự và rất được quan tâm là: Làm thế nào để học sinh có thể tiếp nhận được nhiều tri thức trong khi quỹ thời gian dành cho dạy và học không thay đổi Để giải quyết vấn đề này thì ngành giáo dục
phải có những thay đổi sâu sắc cả về mục đích, nội dung cũng như phương phápdạy học, làm sao để các em hiểu thực sự bản chất, tầm quan trọng của các môn họcnói chung và môn Hóa học nói riêng Định hướng này đã được thể chế hóa trong
tại Điều 24.2 Luật Giáo dục: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động sáng tạo của học sinh, phù hợp với đặc điểm tứng lớp học, môn học, bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho học sinh” Nghị quyết kì họp thứ 8, Quốc hội khóa X về đổi mới chương trình giáo dục phổ thông đã nêu: "Mục tiêu của việc đổi mới chương trình giáo dục phổ thông là xây dựng nội dung chương trình, phương pháp giáo dục, sách giáo khoa phổ thông mới nhằm nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện thế hệ trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển nguồn nhân lực phục vụ công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước".
Trong chương trình Hóa học phổ thông, khi giảng dạy phần cân bằng hoáhọc cho học sinh, đặc biệt là các em trong đội tuyển thi học sinh giỏi thì đây luôn
là vấn đề trừu tượng và rất khó hiểu với các em Đối với các trường hợp cân bằngkhác nhau thì hằng số cân bằng có tên gọi không giống nhau Tôi đã hệ thống cácdạng cân bằng hoá học để giúp học sinh hiểu rõ hơn, trên cơ sở đó có thể phân loại
các dạng bài tập khác nhau Chọn đề tài " Phân loại các biểu thức tính hằng số
cân bằng hóa học và ứng dụng để giải bài tập " làm sáng kiến kinh nghiệm của
mình, tôi hi vọng đề tài sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích đối với các em họcsinh và các đồng nghiệp
Trang 2PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN
Ngành giáo dục đang thực hiện mục tiêu đào tạo con người có đủ khả năng,đáp ứng những nhu cầu đòi hỏi của sự nghiệp công nghiệp hoá – hiện đại hoá đấtnước, góp phần quan trọng vào việc phát triển kinh tế, xã hội Giáo dục Việt Nam
đã và đang đào tạo những con người có phẩm chất đạo đức tốt và năng lực tư duycao, chủ động trong hội nhập Để làm được điều đó, người học phải chủ động nắmbắt kiến thức cơ bản, tự tìm hiểu và phát hiện những kiến thức liên quan Tuynhiên, vai trò của thầy cô giáo trong việc giúp các em hệ thống hoá kiến thức, rènluyện kỹ năng, tư duy tổng hợp là rất quan trọng Với độ tuổi ngồi trên ghế nhàtrường thì việc các em tự phân loại rồi hệ thống bài tập, tìm phương pháp giải chotừng dạng bài tập là việc làm gặp nhiều khó khăn, việc này cần có sự định hướngcủa thầy, cô cho các em
Xu hướng hiện nay trong dạy học Hóa học nói riêng và trong các lĩnh vựckhoa học nói chung, người thầy luôn cố gắng trình bày cho học sinh thấy được mốiquan hệ hữu cơ giữa các lĩnh vực khoa học như: Sinh học, Hóa học, Toán học, Vậtlí… Trong đó cân bằng hóa học thuộc lĩnh vực nghiên cứu rất rộng của ngành Hóahọc và các ngành khoa học khác
Đối với bộ môn Hóa học, giáo viên phải sáng tạo trong phương pháp giảngdạy để phát huy tích cực chủ động của học sinh, tháo gỡ những khó khăn đặc biệt
là trong các chuyên đề khó như chuyên đề hằng số cân bằng hoá học Điều này sẽgóp phần động viên cổ vũ tinh thần tự lực, tự giác của học sinh, tạo hứng thú chocác em trong học tập, nghiên cứu, tìm tòi phát hiện và giải quyết vấn đề đã đặt ra
Từ đó giúp các em tự tin hơn và học tập tốt hơn
Khi giảng dạy hoá học ở bậc THPT cũng như ôn luyện cho học sinh ở các kìthi học sinh giỏi tỉnh, tôi nhận thấy có nhiều vấn đề chỉ yêu cầu học sinh nắm mộtcách định tính tương đối, đặc biệt các bài tập liên quan đến hằng số cân bằng hóahọc Do vậy, việc xây dựng cụ thể cho các em các dạng bài tập cân bằng trong hóahọc như cân bằng kết tủa, cân bằng axit, bazơ và làm rõ các loại cân bằng trên làvấn đề hết sức cần thiết
Trang 32.2 THỰC TRẠNG
Thực trạng chung:
Trong quá trình giảng dạy bộ môn hoá học ở trường phổ thông, tôi nhận thấy
rằng chuyên đề Hằng số cân bằng hoá học là một chuyên đề rất hay, xuất hiện
ngày càng nhiều trong các đề thi như: Thi học sinh giỏi các cấp, thi tốt nghiệpTHPT, thi tuyển sinh vào Đại học, Cao đẳng nhưng đại đa số học sinh lại khôngbiết cách giải các bài tập thuộc phần này
Tài liệu viết về hằng số cân bằng hoá học thì có nhiều, tuy nhiên trongchương trình phổ thông lại không có hệ thống, cơ sở lý thuyết không thật cụ thể và
rõ ràng, vì vậy nguồn tư liệu để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn hạn chế.Điều này dẫn đến việc giải quyết các bài tập phần Hằng số cân bằng hoá học vẫn
là một khó khăn lớn trong việc dạy và học Hoá học
Đối với học sinh : Các em được hỏi thường có suy nghĩ chung là “bài tập phần này rất khó, nếu đề ra dễ thì làm, nếu khó quá thì bỏ qua đỡ mất thời gian”.
Nếu quả thực như vậy thì đây là một điều đáng buồn đối với môn Hoá học Vì nhưvậy là các em đang né tránh những vấn đề khó
Đối với giáo viên: Nhiều giáo viên được hỏi cũng cùng có nhận định chung là
chuyên đề Hằng số cân bằng hoá học là chuyên đề khó, giáo viên phải mất nhiềuthời gian mới giải quyết được, trong quá trình làm dễ mắc sai sót dẫn đến kết quảsai
Vậy làm sao để tăng tỉ lệ học sinh giải quyết tốt các bài toán Hằng số cânbằng hoá học, qua đó giúp các em có hứng thú hơn trong học tập, say mê nghiêncứu tài liệu, biết vượt qua khó khăn ban đầu, không né tránh những vấn đề khótrong học tập cũng như trong cuộc sống Qua tiếp xúc và tìm hiểu nhiều thế hệ họcsinh, các em đều cho biết phần cân bằng hoá học luôn là vấn đề trừu tượng và khó
hiểu Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi mạnh dạn đề xuất đề tài "Phân loại các biểu
thức tính hằng số cân bằng hóa học và ứng dụng để giải bài tập" làm sáng kiến
kinh nghiệm Tôi hy vọng đề tài sẽ đóng góp hữu ích vào việc nâng cao hiệu quảviệc dạy và học Hóa học ở trường phổ thông hiện nay
Trang 42.3 GIẢI PHÁP VÀ TỔ CHỨC THỰC HIỆN
2.3.1 Định luật tác dụng khối lượng
“Ở nhiệt độ không đổi tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tích nồng độ (CM) củacác chất tham gia phản ứng với số mũ là hệ số tỷ lượng tương ứng”
- Đối với phản ứng: aA + bB eE + fF
thì biểu thức phản ánh nội dung của định luật tác dụng khối lượng là:
V = K [A]a [B]b
Trong đó: K gọi là hằng số tốc độ phản ứng và nó chính là tốc độ phản ứngkhi nồng độ các chất tham gia bằng đơn vị
- K càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh
- K phụ thuộc vào: bản chất phản ứng, nhiệt độ, dung môi, chất xúc tác Ởmột phản ứng xác định, nhiệt độ xác định thì K là một hằng số
2.3.2 Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho một cân bằng hoá học
Đối với cân bằng:
- Khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng Vt = Vn nên ta có:
Kt [A]a [B]b = Kn [E]e [F]t
Kc B
A
F E
K
K
b a
t e
n
] [
] [
] [
] [
Kc là hằng số cân bằng của phản ứng thuận
Trang 5Kp = b
B
a A
f F
e E
P P
P P
.
(Pi = RT Ci RT
V
Ni
.
= Pi là áp suất riêng phần của chất i)
Thay giá trị Pi vào biểu thức Kp ta có:
] [
] [
] [
] [ ) ].
.([
) ].
([
) ].
.([
) ].
([
RT B
A
F E RT
B RT A
RT F RT E
b a
f e b a
2 3
. O
SO
SO
P P
P
= K2p
(Với K’p và Kp được xác định cùng nhiệt độ)
2.3.3 Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng trong dung dịch của chất điện li yếu.
- Khi áp dụng định luật tác dụng khối lượng để xét cân bằng trong dung dịchngười ta chấp nhận các quy ước sau:
+ Nồng độ bằng hoạt độ: (i) = [i]: (dung dịch phải loãng)
+ Trong dung dịch loãng hoạt độ của dung môi bằng đơn vị:
Trang 6Hằng số cân bằng đối với quá trình điện li gọi là hằng số điện li Khi các cânbằng điện li khác nhau thì hằng số cân bằng điện li có tên gọi khác nhau.
2.3.3.1 Cân bằng phân li của nước: Hằng số cân bằng phân li của nước có tên
gọi là: Tích số ion của nước
] ].[
[
O H
OH O
] ].[
[
O H
OH O
2.3.3.2 Cân bằng điện li của axit
- Hằng số cân bằng điện li của axit trong dung dịch gọi là hằng số điện li axit, haygọi là hằng số axit
- Xét sự tương tác giữa axit HA với dung môi B
HA + B BH+ + A
-+ nếu dung dịch loãng: KHA =
] ].[
[
] ].[
[
HA B
A BH
+ +
+ KHA(B) phụ thuộc: =
] ].[
[
] ].[
[
HA B
A
BH+ −
- Nếu dung môi là H2O
HA + H2O H3O+ + A
Trang 7+ Nếu dung dịch loãng:
K =
] ].[
[
] ].[
[
2
3
O H HA
A O
H+
nếu [H2O] coi như không đổi thì K.[H2O] =
] [
] ].[
[ 3
HA
A O
-2.3.3.3 Cân bằng điện li của Bazơ: Hằng số cân bằng điện li của bazơ trong
dung dịch gọi là hằng số điện li bazơ hay gọi là hằng số Bazơ (Kb)
- Xét Bazơ B trong dung môi nước: B + H2O BH+ + OH
-+ Dung dịch loãng: K =
] ].[
[
] ].[
[
2O B B
] ].[
[
B
OH
BH+
= Kb Kb là hệ số điện li của bazơ B trong nước chỉ
phụ thuộc nhiệt độ Kb càng lớn, bazơ càng mạnh
- Đối với 1 cặp axit - Bazơ liên hợp (dung môi là H2O)
10 10
Như vậy: axit càng mạnh thì bazơ liên hợp càng yếu và ngược lại
2.3.3.4 Cân bằng kết tủa: Hằng số cân bằng của chất điện li ít tan gọi là tích số
hòa tan (T)
AnBn nAm+ + Bn- K =
] [
] ].[
[
m n
n m
B A
Trang 82.3.3.5 Cân bằng tạo phức: Hằng số cân bằng tạo phức tạo là hằng số bền.
Ví dụ: Phức [CdCl4]2- mỗi nấc có 1 hằng số bền
Cd2 + Cl CdCl+ K1 =
] ][
[
] [
+
Cl Cd CdCl
CdCl+ + Cl CdCl2 K2 = [ [ ][2] ]
− + Cl CdCl CdCl
CdCl3 + Cl CdCl
2-4 K4 =
] ][
[
] [
3
2 4
−
−
−
Cl CdCl CdCl
Cd2+ + 4Cl- CdCl
2-4 K = K1 K2 K3 K4 2 4
2 4
] ].[
[
] [
− +
−
Cl Cd
2.3.3.6 Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa khử
- Giả sử có phản ứng: aOx1 + b Kh2 aKh1 + bOx2
Trong đó : aOx1 + ne → aKh1
2 2
Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng ta có E1 = E2 nên :
Kh Ox
a b
] [ ] [
] [ ] [ lg 059 , 0
1 2
1 2
Vì K =
Ox Kh
Kh Ox
a b
a b
] [ ] [
] [ ] [
lg
1 2
1
059 , 0
0
nE
2.3.4 Một số dạng bài tập mẫu.
Bài 1 Tính áp suất riêng phần khi biết áp suất chung của hệ
Ở 10000C hằng số cân bằng kp của phản ứng: 2SO2 + O2 2SO3 kp= 3,5atm-1
Tính áp suất riêng phần lúc cân bằng của SO2 và SO3 nếu áp suất chung của
hệ bằng 1atm và áp suất cân bằng của O2 bằng 0,1 atm
Trang 9) 09 , 0 (
x
x
−
= 3,50 Giải ra ta được x= 0,57atm; PSO3= 0,33 atm
Bài 2 Tính nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng
Một bình phản ứng dung tích 10 lít chứa 0,100 mol H2 và 0,100 mol I2 ở
6890K, biết hằng số cân bằng Kc = 54,4 Tính nồng độ các chất tại thời điểm cânbằng?
Bài giải
H2 + I2 2HI t= 0 0,100 0,100 0
1 , 0 ).(
10
1 , 0 (
) 10
2 ( 2
x x
0 −x
= 0,00231mol/l; [HI] = 2
10
0787 , 0
a Viết các phương trình cân bằng axit-bazơ xảy ra trong hỗn hợp.
b Từ sự tính hằng số cân bằng, hãy chứng tỏ rằng phản ứng trong dung dịch là
hoàn toàn Cho Ka = 1,8.10-5
c Thiết lập phương trình pH phụ thuộc vào a và x, hằng số axit Ka, tích ion củanước Kw trong 3 trường hợp x<a; x=a; x>a
Trang 10Hằng số cân bằng nhận được trong phản ứng trung hòa:
Kc=
COOH CH
COO CH
] [
] [
O H COO CH
].
[
] ].[
−
−
=1,8.109
Với giá trị rất lớn của Kc chứng tỏ phản ứng xảy ra hoàn toàn
c Dễ dàng tìm phương trình pH, đối với phản ứng trung hòa axit yếu bằng bazơ
K a( − )
→pH = pKa + C0.lg(a-x) + lgx
- Trường hợp x = a: [CH3COOH] = [OH-] = Kw/ [H3O+]
[CH3COO-] ≈ x ( α≈1)[H3O+] =
K w
− →pH = pKw + lg(x-a)
Bài 4 Đánh giá sự hòa tan các chất thông qua tích số tan.
FeS và CuS chất nào tan được trong dd HCl ? Biết: TFeS = 5.10-8
TCuS = 3,2.10-38; H2S có K1 = 10-9; K2 = 10-13
Bài giải
Ta phải tính K của pư: MS + 2H+ ¬ → M2+ + 2H2S (*)
- Nếu K lớn (∆G<0) thì pư xảy ra và ngược lại Theo giả thiết ta có:
MS ¬ → M2+ + S2- (1) T
H2S ¬ → H+ + HS- (2) K1
HS- ¬ → H+ + S2- (3) K2
- Để có pư (*) ta phải lấy pư (1) – (2) – (3)
Do đó hằng số cân bằng của pư (*) = T.(K1)-1.(K2)-1
- Ứng với FeS thì K = 5.1014 ∆G= -nRTlgKp<0 pư xảy ra; ứng với CuS thì K = 3,2.10-16 => ∆G>0 pư không xảy ra
Bài 5 Tính độ điện li α thông qua hằng số cân bằng.
Trang 11Dung dịch axit xianhiđric HCN nồng độ 0,2M có hằng số Ka = 4,9 10-10
[
] ][
CN O H
Vỡ Ka rất nhỏ, HCN điện li yếu nờn [H3O+] cũng rất nhỏ vỡ vậy lấy một cỏch gần
đỳng x< 0,2; do đú 0,2-x ≈ 0,2 và 2 4 , 9 10 10
2 , 0
Bài 6 Tớnh hằng số cõn bằng của phức.
Cho 10-2 mol KSCN vào 10ml dung dịch muối Fe3+ nồng độ 10-3M Biết rằng phức được tạo ra (màu đỏ sẫm) cú cụng thức FeSCN2+, và nồng độ ion Fe3+ tự
do, chưa tham vào phức là 8.10-6M Tớnh hằng số của phức
[
] [
3
2
− +
+
SCN Fe
FeSCN
=
999 , 0 10 8
- Cõn bằng chuyển dịch mạnh sang phải vỡ SCN- dư
Bài 7 Tớnh hằng số cõn bằng khi biết nồng độ cỏc chất tại thời điểm cõn bằng.
Dung dịch axit benzoic (axit yếu) 1M cú cựng pH với dung dịch HCl 8.10-3M Tỡm pH và tớnh bằng số axit Ka của axit benzoic
Trang 12C6H5COOH + H2O ¬ → H3O+ + C6H5COO-.
Ka =
] [
] ][
[
5 6
5 6 3
COOH H
C
COO H C O
Bỏ qua sự phân ly của H2O nên [H3O+] = [C6H5COO-]
Vậy: Ka = [H3O+]2 = (8.10-3)2 = 6,4.10-5
Bài 8 Tính pH thông qua hằng số cân bằng.
Tính pH của dung dịch CH3COONa 0,1M, biết hằng số cân bằng Kb=5,7.10-10
10
−
−
= 1,3.10-9M → pH = 8,9
Bài 9 Tính pH của dung dịch đệm
Tính pH của hệ đệm gồm 0,05 mol axit axetic và 0,050 mol natriaxetat trong
1 lít dung dịch pH của dung dịch sẽ thay đổ thế nào khi thêm vào hệ đệm này 0,001 mol HCl ?
COOH H
C
COO CH O
).
05 , 0 (
Trang 13Axit axetic là axit yếu ít phân ly nên: x < 0,05.
0,05 – x ≈0,05 + x ≈ 0,05, do đó 1,8.10-5 = 00,,0505x
Vậy x = 1,8.10-5 pH = -lg1,8.10-5 = 4,47
- Khi thêm HCl vào hệ đệm thì H3O+ do HCl phân ly ra sẽ phản ứng với
CH3COO- để chuyển nó thành CH3COOH:
H3O+ + CH3COO- ¬ → CH3COOH + H2O
Trước khi thêm HCl: 0,001 0,050 0,050
Sau khi thêm: 0 0,05 – 0,001 0,05 + 0,001
Ka = 1,8.10-5 = x −x x
+
051 , 0
) 049 , 0 (
=> [H3O+] = Ka..0,049/0,051
X << 0,049 x << 0,051 = 1,9 10-5
pH = -lg[H3O+] = -lg(1,9.10-5) = 4,72
- Vậy so với trước lúc thêm HCl thì pH giảm đi rất ít (0,02 đơn vị pH)
Bài 10 Tính tích số tan khi biết độ tan.
Độ tan của CaF2 trong nước ở 250C bằng 2,14.10-4M tính tích số tan TCaF2
Bài giải
CaF2(r) ¬ → Caaq2+ + 2F
-aq
-T = [Ca2+][F-]2 = 2,14.10-4 (2 2,14 10-4)2= 3,9.10-11
Bài 11 Xác định kết tủa xuất hiện hay không thông qua tích số tan.
Một thể tích dung dịch Pb(NO3)2 2.10-3M được trộn với cùng thể tích dung dịch NaI 2.10-3M PbI2 có được tạo ra không? Biết TPbI2 = 7,9.10-9
Bài giải:
- Vì 2 dung dịch cùng thể tích được trộn vào nhau nên nồng độ dung dịch mỗi chất giảm đi một nửa tức là: [Pb2+]=[NaI] = 10-3M
- Hãy tính tích số ion Q
Trang 14Q = [Pb2+].[I]2 = 10-3 (10-3)2 = 1.10-9
Q < T vậy kết tủa không được tạo ra
Bài 12 Bài tập ảnh hưởng của ion chung tới độ tan thông qua tích số tan.
Tích số tan của BaSO4 bằng 10-10 Tính độ tan của BaSO4 trong nước nguyênchất và trong dung dịch H2SO4 0,1M Kết luận gì về ảnh hưởng của ion chung tới độ tan?
Bài giải
Gọi S1 là độ tan của BaSO4 trong nước nguyên chất, ta có:
[Ba2+] = [SO42-] = S1 T = [Ba2+][SO42-] = S12.S1 = T = 10−10 = 10-5M
Gọi S2 là độ tan của BaSO4 trong dung dịch H2SO4 0,1M, ta có
[Ba2+] = S2 và [SO42-] = S2 + 0,1 Do đó T = [Ba2+][SO42-] = S2(S2 + 0,1) = 10-10
Bỏ qua S2 trước 0,1 ta được S2 = [Ba2+] = 10-9M
- Như thế S2 < S1 do dung dịch có chứa ion chung với ion của muối khó tan, ở đây là anion SO42-
Bài 13 Tính độ điện li của ion bazơ liên hợp khi biết các giá trị pK a
Tính độ điện li của CO32 trong dung dịch Na2CO3 có pH =11,60; CO2 có
2 4 , 2
10 − 2 , 4
= 5,1%
Bài 14 Tính hằng số cân bằng khi biết thế khử chuẩn.
Cho biết thế khử chuẩn ở 250C của cặp pin sau:
Cl2(k) + 2e 2Cl-.aq ε 0= 1,359V
Cl2(aq) + 2e 2Cl-.aq ε 0= 1,395V