skkn sử dụng hằng số cân bằng trong việc giải bài tập hóa học ở chương trình thpt

1 Sở giáo dục & đào tạo Thanh Hoá Trờng THPT chuyên Lam Sơn Sáng kiến kinh nghiệm Đề tài: Sử dụng hằng số cân bằng trong việc giải bài tập hoá học ở chơng trình THPT Giáo viên : Trơng Quang Đạo CHức vụ : Giáo viên Bộ môn : Hoá học Đơn vị : Trờng THPT Chuyên Lam Sơn Thanh Hoỏ, nm 2011 MỤC LỤC TRANG A. Đặt vấn đề 1 B. Giải quyết vấn đề 1 I. Cơ sở khoa học của đề tài 1 II. Các giải pháp thực hiện 5 III. Giải quyết vấn đề 5 IV. Một số bài tập đề nghị 16 V. Phạm vi sử dụng của phương pháp 17 VI. Tổ chức thực hiện 17 C. Kết luận 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đề thi tuyển sinh Đại học Cao đẳng 1998 ( Nhà xuất bản giáo dục) 2. Tuyển tập các đề thi trắc nghiệm: 2006 - 2009 3. Sách giáo khoa hoá học nâng cao lớp 10 ( Nhà xuất bản giáo dục) 4. Các bài tập nâng cao lớp 10 ( Nhà xuất bản giáo dục) 5. Chuyên đề luyện thi Đại học môn hoá học tập I năm 2010 ( Ngô Ngọc An - Nhà xuất bản giáo dục) 6. Tuyển tập bài giảng hoá học vô cơ (Cao cự giáo - Nhà xuất bản đại học Sư Phạm) 7. Bài tập hoá đại cương ( Lê Mậu Quyền - Nhà xuất bản giáo dục) 8. Hoá học đại cương ( Lâm Ngọc Thềm - Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong việc giảng dạy cho học sinh cấp THPT và ôn luyện thi vào các trường Đại học, Cao đẳng và bồi dưỡng học sinh giỏi Tỉnh và học sinh giỏi Quốc Gia hàng năm, phần hằng số cân bằng hoá học là phần quan trọng trong kiến thức giảng dạy. Trong đó việc tìm ra cách khai thác hết các dạng và loại bài tập là một việc làm rất cần thiết đối với giáo viên. Tuy nhiên, để làm tốt các bài tập phần hằng số cần bằng hoá học đối với học sinh phải có kiến thức thực sự vững chắc, có khả năng tư duy hợp lý và có tính sáng tạo. Vì vậy: Bản thân là giáo viên đã dạy lâu năm nhưng tôi thấy với vấn đề " Hằng số cân bằng hoá học" là một chuyên đề của toán đại cương vô cơ hay, tâm huyết. Do đó tôi mạnh dạn đưa vấn đề này ra để giúp em làm bài tập nhanh gọn, dễ hiểu và hiệu quả cao, phù hợp với xu thế đề thi và dạy trắc nghiệm như hiện nay. II. THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Hiện nay vấn đề học bộ môn hoá học của các em học sinh ở trường THPT tương đối nặng nề về chương trình, đòi hỏi tính tự giác của các em ngày càng cao trong học tập. Đặc biệt là các vấn đề các em tự nghiên cứu để trang bị cho mình một lượng kiến thức vững vàng và có kỹ năng giải toán một cách thành thạo. Điều này, sự vất vả đối với các em là không nhỏ, trong quá trình giảng dạy bản thân tôi thấy việc dạy vấn đề " Hằng số cân bằng hoá học" mà tôi đã thực hiện đã giúp cho các em phần nào về các tư duy cũng như cách giải một bài toán nhanh gọn, dễ hiểu. Ngoài ra còn tạo cho các em tính tư duy tổng hợp ở mức độ cao hơn trước đó rất nhiều, vì vậy có thể nói "Vấn đế hằng số cân bằng hoá học" là một công cụ Giải toán đại cương vô cơ đắc lực trong quá trình ôn thi đại học. 3 B. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI. Với những vấn đề, mục đích của đề tài được đưa ra ở trên thì để thực hiện được bản thân người giáo viên phải trang bị cho mình: Vững chắc về kiến thức, thành thạo về chuyên môn, luôn có suy nghĩ mỗi khi tự đọc, và tự học vấn đề về kiến thức hằng số cân bằng hoá học trong quá trình giảng dạy cho các em học sinh ở trường THPT. Để giải quyết đề tài này tôi xin trình bày một số quy tắc định luật cần sự dụng. 1. Phản ứng 1 chiều, phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng hoá học. - Phản ứng 1 chiều: Là phản ứng xảy ra theo một chiều nhất định, trong đó các chất phản ứng tác dụng với nhau tạo sản phẩm, còn các chất sản phẩm không tác dụng với nhau tạo chất ban đầu. VD: Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 ↑ - Phản ứng thuận nghịch: Là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau, trong đó các chất đem phản ứng tác dụng với nhau tạo sản phẩm, đồng thời các chất sản phẩm tác dụng với nhau tạo chất ban đầu. VD: N 2(k) + 3H 2(k) → ¬  2NH 3(k) H 2(k) + I 2(k) → ¬  2HI (k) - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái mà ở đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (V t = V n ) ( Hay nồng độ các chất không đổi), nhưng phản ứng vẫn xảy ra bình thường. 2. Hằng số cân bằng của phản ứng: Phản ứng: aA + bB → ¬  cC + dD K cB = [ ] [ ] [ ] [ ] . . c d a b C D A B * Một số chú ý: - Đối với chất rắn nồng độ = 1 - K cb chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ 4 - aA + bB → ¬  CC + dD (1) K cb1 Phản ứng: cC + dD → ¬  aA + bB K cb2 K cb2 = 1 cb1 K - Nếu nhân hệ số phản ứng (1) với n: n. aA + nbB → ¬  ncC + ndD . K cb3 K cb3 = (K cb1 ) - Nếu chia hệ số phản ứng (1) cho n: a n A + b n B → ¬  C d C + D n n K cb1 K cb4 = n Kcb1 K 3. Các hằng số cân bằng Kp, Kc, Kx. Xét phản ứng: aB + bB ˆ ˆ† ‡ ˆˆ cC + dD. Ta nhận thấy, trong biểu thức của hằng số cân bằng (8.3), thành phần của các chất tham gia phản ứng ở trạng thái cân bằng được biểu thị qua các áp suất riêng phần Pi của chúng, vì vậy hằng số cân bằng được ký hiệu là Kp. Kp = c d C a b A B P .P P P .P D Nồng độ của một chất được biểu thị bằng hệ thức: C i = i n V ( mol/ L), trong đó n i là số mol chất của i và V là thể tích chung của hỗn hợp. Mặt khác, ta cũng đã biết, đối với khí lý tưởng: P i = i i n RT C V = RT, chẳng hạn, đối với chất A: P A = C A . RT đối với các chất khác ta cũng có các hệ thức tương ứng. Thay các giá trị này vào (8.6) ta có. K p = c d c d c d C D C D a b a b a b S B A B P .P C .C (RT) .(RT) = . P .P C .C (RT) .(RT) (8.7) Nếu thành phần của các chất tham gia phản ứng được biểu thị bằng nồng độ C thì hằng số trên được ký hiệu là K C . 5 K C = [ ] [ ] [ ] [ ] C d c d C D a b a b A B C D C .C = C .C A B (8.8) Như vậy hệ thức (8.7) có thể viết: K P = K C . (RT) ( ) ( )C d a b+ − + Hay K P = K C (RT) n∆ (8.9) Với ∆ n = (c + d) - ( a + b). Đó là hệ thức liên hệ giữa K P và K C . Ta cần lưu ý rằng, vì ở đây P thường tính ra atm, V tính ra lít nên: R = 1.22,4 273.15 − 0 0 0 P V T = 0,082 L. atm / mol. K 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học. Khi nhiệt độ thay đổi thì K cB thay đổi. Trong khoảng hẹp của nhiệt độ, nếu coi ∆ H là hằng số đối với nhiệt đọ thì ta có công thức. ln 2 1 Kp(T ) Kp(T ) = 0 H R ∆ ∆ 0 H R ( 1 1 T - 2 1 T ) Với: ∆ H 0 : J. mol 1− R = 8,314 J. K 1− T = (t 0 c + 273) 0 K 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển dịch cân bằng Khái niệm: Cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. * Ảnh hưởng của nồng độ. - Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng, thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó. Lưu ý: Nếu trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất) thì việc thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng) nghĩa là cân bằng không chuyển dịch ( trừ trường hợp việc thêm hoặc bớt này gây ra sự biến đổi áp suất chung của hệ. * Ảnh hưởng của áp suất. 6 Khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng thì bao giờ cân cũng chuyển dịch theo làm giảm tác động của việc tăng hay giảm áp suất đó. * Ảnh hưởng của nhiệt độ. Ta có: ∆ N H = - a aA → ¬  b.B ∆ T H = a ∆H < 0 phản ứng toả nhiệt → t 0 ↑ ∆H > 0 phản ứng thu nhiệt → t 0 ↓ Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt nghĩa là chiều làm tác động của việc tăng nhiệt độ, và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt, chiều làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ. 7 * Vai trò của chất xúc tác. Chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và cũng không làm biến đổi hằng số cân bằng, nên không làm chuyển dịch cân bằng, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn. II. CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN Dựa trên cơ sở giảng dạy của bản thân, đòi hỏi kiến thức của chương trình cần phải nâng cao có chiều sâu cũng như đáp ứng cho việc ôn thi đại học và đội tuyển học sinh giỏi hàng năm. Nhưng điều thú vị hơn cả là hiểu được nội dung có chiều sâu thì việc giải quyết một vấn đề trở nên hay, nhanh gọn hơn nhiều. Nhất là phần vô cơ đại cương. Với vấn đề phân loại chi tiết từng dạy toán thì đòi hỏi một học sinh cần có sự trang bị một cách đầy đủ về kiến thức cơ bản đến nâng cao, điều đó người giáo viên trong quá trình giảng dạy cần phải có sự chuẩn bị thật kỹ lưỡng về kiến thức, đáp ứng những trường hợp có học sinh đưa ra phương pháp giải hay, hoặc không đúng thì giáo viên chỉ ra được các ưu và nhược điểm đó, khi đó giáo viên sẽ tổng hợp phân tích và kết luận rồi đưa ra phương pháp giải của mình để học sinh hiểu và so sánh. Để giải quyết được thì: Học sinh phải nắm được các công thức tính K cb , các công thức ảnh hưởng của nhiệt độ đến K cb và tốc độ phản ứng K C , K P , K X vv III. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH K CB : Đối với phản ứng: aA + bB → ¬  CC + dD K cB = [ ] [ ] [ ] [ ] . . c d a b C D A B . Đối với chất rắn thì: [ ] = 1. Bài 1: Cho biết phản ứng sau: 8 H 2 O (k) + CO (k) → ¬  H 2(k) + CO 2(k) , ở 700 0 C hằng số cân bằng Kc = 1,873. Tính nồng độ của H 2 O và CO ở trạng thái cân bằng, biết rằng hỗn hợp ban đầu gồm: 0,300 mol H 2 O và 0,300 mol CO trung bình 10 l ở 700 0 C. Bài làm: C H 2 O = 0,300 0,030( ) 10 = M C CO = 0,300 10 = 0,030(M) Phản ứng: H 2 O (k) + CO (k) → ¬  H 2(k) + CO 2 (k) Ban đầu: 0,03 0,03 O O Phản ứng: x x x x [ ] 0,03 0,03 x x K cB 2 (0,03 ) xx x− = 1,873 x = 0,017 Vậy: [ ] 2 H = [ ] 2 CO = 0,017 (M) [ ] CO = [ ] 2 H O = 0,03 - x = 0,013 (M) Bài 2: Cho hằng số cân bằng: H 2(k) + I 2(k) → ¬  2HI(k) . ở nhiệt độ nào đó bằng 40. Xác định % H 2 , I 2 chuyển thành HI. Nếu nồng độ ban đầu của chúng bằng nhau và bằng 0,01M. Bài làm: H 2(k) + I 2(k) → ¬  2HI (k) Ban đầu: 0,01 0,01 O Phản ứng: x x 2x [ ] 0,01-x 0,01-x 2x K CB = 40 = 2 2 (2 ) (0,01 ) x x− X 1 = 0,0146 (loại ) X 2 = 0,0076 (TM) Vậy: % H 2 → HI . 0,0076 0,01 x 100% = 76% Bài 3: Hằng số cân bằng của phản ứng: 9 H 2(k) + Br 2(k) → ¬  2HBr (k) . ở 730 0 C là 2,18.10 6 . Cho 3,2 mol HBr vào bình phản ứng dung tịch 12l ở 730 0 C. Tính nồng độ của H 2 , Br 2 , HBr, ở trạng thái cân bằng. 10 [...]... PHÁP Qua phân dạng các bài tập về hằng số cân bằng hoá học ta nhận thấy: - Đã giải được triệt để các bài tập về hằng số cân bằng trong các đề thi đại học và đề thi học sinh giỏi - Giúp cho học sinh có sự gắn kết các loại bài tập có liên quan đến hằng số cân bằng trong chương trình THPT VI TỔ CHỨC THỰC HIỆN: Với nội dung và phương pháp đã trinh bày ở trên, tôi đã áp dụng giảng dạy ở các khối lớp 10 thu... độ [ NO2 ] = 0,06M Xác định hằng số cân bằng K C của phản ứng trên, biết rằng nồng độ ban đầu của NO2 bằng 0,3M Đáp số: KC = 1,92 ˆ ˆˆ Bài 2: PCl5 phân huỷ theo phản ứng: PCl5(k) ‡ ˆ† PCl3(k) + Cl2(k) Hãy tính KP của phản ứng này, biết rằng độ phân ly α của PCl5 là 0,485 ở 2000C và áp suất tổng cộng của hệ khi cân bằng là 1 atm Đáp số: KP = 0,307 Bài 3: Biết hằng số cân bằng của phản ứng: ˆ ˆˆ CO(k)... CO2(k) + H2(k) Ở 8500C bằng 1 Tính nồng độ các chất cân bằng? Cho biết nồng độ các chất tại thời điểm ban đầu như sau: [ CO] = 0,25M; [ H 2 O ] = 3,0M Đáp số: [ CO] = 0, 25M; [ H 2 O ] = 2, 25M; [ H2 ] = [ CO2 ] = 0, 7M Bài 4: Ở 10000 hằng số cân bằng của phản ứng: ˆ ˆˆ FeO(r) + CO(k) ‡ ˆ† Fe(r) + CO2(k) Bằng 0,5 Tìm nồng độ của CO và CO 2 lúc cân bằng nếu nồng độ ban đầu của chúng tương ứng bằng 0,05M... tăng P cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm giảm P ( Vì số phân tử khí giảm từ 3  2) → 3 Khi tăng P cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm áp suất ( Vì số phân tử khí giảm từ 3  2) → 20 V MỘT SỐ BÀI TẬP ĐỀ NGHỊ Bài 1: Đun nóng NO2 trong một bình kín, sau một thời gian, tới một nhiệt độ nào đó thì cân bằng ˆ ˆˆ 2NO2(k) ‡ ˆ† 2NO(k) + O2(k) Được thiết lập Tại thời điểm đạt được cân bằng. .. cuối cùng cho biết, ở 800K hằng số Kp = 3,59 Như vậy, do phản ứng phát nhiệt ∆ H0 < 0 nên khi nhiệt độ tăng, hằng số cân bằng giảm Cân bằng của phản ứng chuyển dịch về phía trái, sản phẩm (CO2, H2) thu được giảm Bài 2: Đi axit các bon bị phân huỷ ở nhiệt độ cao theo phản ứng: → 2CO2  CO + CO2 Khi áp suất = 1 at thì lượng % CO 2 bị phân huỷ là: 2,0.10 −5 ở 10000 K và 1,27 x 10 −2 ở 14000 K Hãy tính... hưởng của các yếu tố nhiệt độ, áp suất, nồng độ đến chuyển dịch cân bằng Bài làm: Áp suất: Khi P ↑ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ( làm giảm số phân tử khi: 4 -> 2) - Khi P ↓ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghich ( làm tăng số phân tử khí 2 -> 4)  → * Nhiệt độ: ∆ H > O N2(k) + 3H2(k) ¬  2NH3(k) ∆ H < O  - Khi tăng t0 cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm nhiệt độ - Khi giảm t0 cân. .. ] = (2 x) 2 KCB = 2,925 [ N 2 ] [ H 2 ] (0,3 − x)(0, 7 − 3x) 2 Đáp số: KCB = 2,925 3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN HẰNG SỐ CÂN BẰNG  → Bài 1: Xét phản ứng: H2O + CO(k) ¬  CO2(k)  + H2(k) ở T = 690K có Kp = 10,0 Tính Kp ở T = 800K Biết rằng, trong khoảng nhiệt độ này, ∆ H0 được coi là không đổi và bằng: - 42676,8 J/mol Bài làm: Ta áp dụng kiến thức K 800 42676,8 1 1 In K 690 = − 8,314 ( 690 − 800 )... ˆ† 2CO(k) ở 8150C có KP = 10 Hãy tính áp suất riêng phần của các chất khí khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng ở điều kiện t = 8150C và P = 1 atm Đáp số: PCO = 0,92 atm; PCO 2 = 0,08 atm ˆ ˆˆ Bài 7: Xét phản ứng: N2(k) + 3H2(k) ‡ ˆ† 2NH3(k) Biết rằng ở 5000C thì KP = 1,44.10 −5 Hãy tính KC Biết rằng ∆ H = - 104,9 kJ, hãy tính KP ở 4000C Đáp số: KC = 5,79.10 −2 ; KP = 1,6.10 −4 V PHẠM VI SỬ DỤNG CỦA... 3H2(k) ¬  1NH3(k)  Biết rằng ở T = 673K và p = 1 at thì Kp = 1,64 10 −4 Tính Kc, Kx Bài làm: Đối với phản ứng trên ta có ∆ n = 2 - ( 3+ 1) = - 2 Vậy hằng số cân bằng sẽ là: Kp = KC ( RT) −2 19 Kp Hay: KC = ( RT )−2 = Kp (RT)2 = 1,64.10 −4 (0,082 x 673) 2 = 0,5 Theo đầu bài khi: P = 1 atm sẽ dẫn đến KX = Kp = 1,64.10 −4 5 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG Bài 1: Cho phản ứng N2(k) + ... là học sinh lớp: 10T, 10V, 10H, 10F, 10I trường THPT chuyên Lam Sơn từ năm học: 2006 - 2011 Học sinh lớp 10I, 10F, 10V được giới thiệu phương pháp thông thường truyền thống, còn học sinh lớp 10T, 10H được giảng dạy theo cách phân loai trên Phương pháp tốt bài tập Phương pháp phân loại (10V, 10F, 10I) % học sinh hiểu bài và làm Phương pháp thông thường (10H, 10T) 45% 95% 22 C KẾT LUẬN: Trong quá trình . dục & đào t o Thanh Hoá Trờng THPT chuyên Lam Sơn Sáng kiến kinh nghiệm Đề t i: Sử dụng hằng số cân bằng trong việc giải bài t p hoá học ở chơng trình THPT Giáo viên : Trơng Quang Đạo CHức. nhi t độ. Ta có: ∆ N H = - a aA → ¬  b.B ∆ T H = a ∆H < 0 phản ứng toả nhi t → t 0 ↑ ∆H > 0 phản ứng thu nhi t → t 0 ↓ Khi t ng nhi t độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu. học trong quá trình giảng dạy cho các em học sinh ở trường THPT. Để giải quy t đề t i này t i xin trình bày m t số quy t c định lu t cần sự dụng. 1. Phản ứng 1 chiều, phản ứng thuận nghịch, trạng