SKKN Xây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏi

Xây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏiXây dựng hệ thống bài tập về cân bằng hóa học sử dụng trong bồi dưỡng học sinh giỏi

PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Quá trình vận dụng kiến thức thông qua tập có nhiều hình thức phong phú đa dạng Thông qua tập, giáo viên đánh giá khả nhận thức, khả vận dụng kiến thức học sinh, thông qua việc giải tập mà kiến thức củng cố khắc sâu, xác hoá, mở rộng nâng cao, đồng thời bồi dưỡng lực tư sáng tạo cho học sinh Trong tài liệu hành chủ yếu tài liệu cho học sinh ôn luyện thi đại học cao đẳng, tài liệu dành cho học sinh giỏi, học sinh chuyên đặc biệt tài liệu dành cho thi HSG Quốc gia, Quốc tế thực ít, với môn Hóa học không nằm bối cảnh khó khăn chung đó, thiếu hệ thống loại chuyên đề bồi dưỡng gây rời rạc tính kế thừa Bên cạnh công tác bồi dưỡng học sinh giỏi nhiệm vụ hàng đầu giáo viên trường chuyên Thực tế cho thấy nhiệm vụ không dễ dàng giáo viên, thi học sinh giỏi cấp Quốc gia ngày chuyên sâu nên không tiếp cận kịp thời rào cản lớn việc bồi dưỡng cho học sinh giỏi Từ khó khăn vừa mang tính chủ quan, vừa mang tính khách quan nêu trên, thiết nghĩ cần có các chuyên đề bồi dưỡng để tổng hợp lại dạng tập kỳ thi học sinh giỏi để tạo thuận lợi việc giảng dạy giáo viên học tập học sinh Xuất phát từ vấn đề khó khăn nêu trên, qua kinh nghiệm thực tế giảng dạy với mong muốn góp phần vào việc nâng cao chất lượng giảng dạy môn Hóa học, mạnh dạn trình bày đề tài “Xây dựng hệ thống tập cân hóa học sử dụng bồi dưỡng học sinh giỏi” với tập lựa chọn từ nhiều nguồn khác mang tính cập nhật từ kì thi nước quốc tế với mong muốn phần làm giảm khó khăn đó, thông qua số ví dụ cụ thể dạng tập định lượng có tâp vận dụng lời giải, nhằm giúp cho học sinh rút kinh nghiệm, rèn luyện kĩ làm bài, đồng thời để góp phần nâng cao hiệu giảng dạy trường trung học phổ thông chuyên Nội dung tập đề tài sử dụng việc giảng dạy cho em học sinh lớp chuyên Hóa dạy đội tuyển dự thi học sinh giỏi Quốc gia Là giáo viên củatrường THPT Chuyên Bảo Lộc – Ngôi trường thành lập năm, nên kinh nghiệm công tác bồi dưỡng học sinh giỏi mong nhận góp ý Quý thầy cô giáo để tiếp tục cố gắng hoàn thiện đề tài Mục đích nghiên cứu “Xây dựng hệ thống tập cân hóa học sử dụng bồi dưỡng học sinh giỏi” dùng cho lớp chuyên Hóa học bậc Trung Học Phổ Thông giúp Học sinh học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập môn hóa học Giới hạn phạm vi nghiện cứu - Nghiên cứu sở lý luận đề tài - Nghiên cứu tập cân hóa học dựa vào tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh học sinh giỏi Quốc Gia - Sưu tầm biên soạn theo dạng cụ thể tập cân Hóa học dùng cho học sinh chuyên Hóa học bậc Trung Học Phổ Thông - Thực nghiệm sư phạm: nhằm kiểm tra đánh giá hiệu hệ thông tập xây dựng Phần NỘI DUNG Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG HÓA HỌC Đại cương cân hóa học Khi phản ứng hóa học xảy làm thay đổi thành phần hỗn hợp phản ứng phản ứng cân tỷ lệ thành phần đạt đến giá trị không đổi, đặc trưng số cân (HSCB) Kcb Ví dụ: Phản ứng: N2 + 3H2  2NH3 (khí) Ở 25oC, HSCB:  PNH  - Tính theo áp suất : K p =   PN PH   = 6,31.10 −5 atm −   cb  C NH  K = - Tính theo nồng độ: C   C N C H   = 3,17.10 −2 l mol −2   cb Hằng số cân phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff Xét phần phản ứng xảy hệ khí lý tưởng điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp: aA+ bB= d D ∆GT (1) Gọi PA, PB, PD áp suất riêng phần khí A, B, D tương ứng hệ, thời điểm phản ứng ta có: ∆GT = ∆GT0 + RT ln QP (2) Hệ thức gọi phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff, ký hiệu:  PDd  Qp =  a b ÷  PA PB  (3) ∆GT0 gọi biến thiên đẳng áp chuẩn phản ứng, ∆G phản ứng, QP = Với ∆GT0 phụ thuộc nhiệt độ đặc trưng cho phản ứng xác định Khi phản ứng đạt cân ∆GT = 0, từ ta có: ∆GT0 = − RT ln(Q p )cb ln ( Q p ) hay cb =− ∆GT0 RT (4) Vế phải phương trình phụ thuộc vào nhiệt độ, nên đại lượng (Q p )cb phụ thuộc nhiệt độ định nghĩa số cân (HSCB): K p = ( Qp ) cb  Pd  =  aD b ÷  PA PB cb (5) Hằng số cân Kp phụ thuộc nhiệt độ Thay Kp vào phương trình ta được: ∆GT0 = − RT ln K p (6) Nếu ∆G tính cal số khí R = 1,987 cal.mol-1K-1 Kết hợp hai phương trình (2) (6) ta có: ∆G T = RT ln Qp (7) Kp Các hệ thức (2), (6) (7) phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff, phương trình lý thuyết cân hóa học, chúng cho phép áp dụng kết thu nhiệt động học (tính toán dựa ∆G ) vào cân hóa học (thông qua số cân Kp) Như sử dụng phương trình để xét chiều phản ứng Tiêu chuẩn xét chiều sau: Trong hệ phản ứng đẳng nhiệt, đẳng áp (dT = 0, dP = 0) - Nếu Kp > QP : Phản ứng theo chiều thuận (vì ∆G < ) - Nếu Kp < QP : Phản ứng theo chiều nghịch (vì ∆G > ) - Nếu Kp = QP : Phản ứng đạt cân (vì ∆G = ) Chú ý: Kp QP có công thức giống nhau, song giá trị K p giá trị ( QP )cb trạng thái cân Các loại số cân mối quan hệ chúng Để tiện sử dụng tính toán, bên cạnh HSCB K p, nhiệt động hóa đưa định nghĩa số loại HSCB khác Xét phản ứng xảy hệ khí lý tưởng: aA+ bB dD Ta ký hiệu số đại lượng sau: - Nồng độ mol/l chất i : Ci - Số mol chất i là: ni - Tổng số mol khí hệ cân (∑ n ) i cb ni ∑ ni - Phần mol chất i xi = - Áp suất tổng cộng : P - Biến thiên số mol khí ∆n = d - a - b Các biểu thức định nghĩa HSCB:  C Dd - HSCB nồng độ mol/l: K C =  a b  C A C B  X Dd K = - HSCB phần mol: X  a b  X A X B  n Dd a b  n A n B - HSCB số mol: K n =     cb (8)    cb (9)    cb (10) Từ định nghĩa trên, dễ dàng tìm mối quan hệ HSCN sau: K P = K C ( RT ) ∆n = K X P ∆n  P = K n   ∑n i  ∆n     cb (11) Ta chứng minh hệ thức cách áp dụng phương trình trạng thái khí i hỗn hợp khí lý tưởng:  PDd ni K = PiV = niRT nên Pi = RT = Ci RT suy ra: P  a b V  PA PB  C Dd =  a b  C A C B d   C Dd ( RT )  =  a a b b   cb  C A ( RT ) C B ( RT )     cb   ( RT ) d − a −b = K C ( RT ) ∆n  cb Theo định luật Dalton, ta có: P i = xiP = Từ suy ra: Kp = Kx P ∆n  P = K n   ∑n i  ni P ∑ ni ∆n     cb Nhận xét: Vì Kp số nhiệt độ, nên: - KC phụ thuộc nhiệt độ - Kx phụ thuộc nhiệt độ áp suất (12) - Kn phụ thuộc nhiệt độ, áp suất tổng số mol khí cân - Nếu phản ứng có ∆n = Kp = KC = Kx = Kn Lưu ý: đại lượng QC , Qx Qn định nghĩa tương tự Q p quan hệ chúng với Q p giống hệ thức K: QP = QC ( RT ) ∆n = Qx P ∆n  P = Qn   ∑n i  ∆n  ÷ ÷ cb Lưu ý: - Một phản ứng tiến hành theo chiều thuận hay chiều nghịch tuỳ thuộc vào khác biệt hỗn hợp đầu hỗn hợp cân - Một phản ứng tiến hành đến hoàn toàn sản phẩm tách khỏi hỗn hợp cân (nhờ phương pháp tách chúng tự tách dạng kết tủa, bay hay điện ly yếu) Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến cân hóa học Xét phản ứng (1) với hiệu ứng nhiệt phản ứng ∆H o , số Kp nhiệt độ T phản ứng có quan hệ với phương trình sau: ∆H  ∂ ln K P    =  ∂T  P RT (13) Các hệ thức gọi chung phương trình đẳng áp Van’t Hoff, chúng mô tả ảnh hưởng nhiệt độ đến số cân KP phản ứng Trong thực tế, ảnh hưởng áp suất đến ∆ H KP không đáng kể, nên thay ∆ Ho ∆ H dùng dấu vi phân toàn phần thay cho dấu vi phân riêng phần: d ln K P ∆H = dT RT2 (14) Có thể sử dụng phương trình đẳng áp Van’t Hoff để phán đoán định tính ảnh hưởng nhiệt độ đến cân hóa học: - Nếu phản ứng thu nhiệt, ∆ H > d ln K P > 0; Như vậy, nhiệt độ tăng Giá dT trị KP tăng, phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận, nghĩa chuyển dịch theo chiều thu nhiệt, điều làm giảm hiệu việc tăng nhiệt độ - Ngược lại, phản ứng phát nhiệt, ∆ H < 0, d ln K P < 0; dT Như vậy, nhiệt độ tăng, giá trị K P giảm, phản ứng chuyển dịch theo chiều nghịch, nghĩa chuyển dịch theo chiều thu nhiệt, chiều làm giảm hiệu yếu tố bên tác động lên hệ Đây nội dung nguyên lý chuyển dịch cân Van’t Hoff- trường hợp riêng nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier 4.2 Ảnh hưởng áp suất tổng cộng đến cân hóa học a) Đối với hệ ngưng tụ (rắn, lỏng) Trong hệ này, ảnh hưởng áp suất không đáng kể bỏ qua ảnh hưởng áp suất biến thiên không lớn b) Đối với hệ khí Khi nhiệt độ không đổi, ta áp dụng (11): K P = K X P ∆n = const Từ ta có nhận xét: - Nếu ∆ n > 0: Khi tăng áp suất P, giá trị P Δn tăng, KX giảm, cân chuyển dịch theo chiều nghịch - Nếu ∆ n < 0: Khi tăng áp suất P, giá trị P Δn giảm KX tăng cân chuyển dịch theo chiều thuận - Nếu ∆ n = 0: KP = KX = const Khi áp suất chung P không ảnh hưởng đến cân phản ứng Như vậy, tăng áp suất hệ, cân chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí hệ, nghĩa làm giảm hiệu việc tăng áp suất, điều phù hợp với nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier 4.3 Ảnh chất không tham gia phản ứng (chất trơ) Áp dụng hệ thức (11) trường hợp nhiệt độ không đổi  P K P = K n   ∑n i  ∆n   = const   cb Khi xem hỗn hợp khí cân hỗn hợp khí lý tưởng, ta có: PV = ∑ ( ni ) cb RT P RT = ( ∑ ni ) cb V suy ∆n  RT  Do đó: K P = K n   = const  V  cb Từ kết luận: - Nếu việc thêm chất trơ không làm thể tích V hệ thay đổi, chất trơ không ảnh hưởng đến cân - Nếu thêm chất trơ điều kiện áp suất hệ không đổi, thể tích hệ nhìn chung tăng cân chuyển dịch theo chiều tăng số mol hệ Ví dụ: Đối với phản ứng tổng hợp amoniac N2 + 3H2 = 2NH3 ∆ n = - - = - < 0, Nếu muốn tăng hiệu suất tạo thành amoniac cần phải tăng áp suất giảm chất trơ (nếu có, Ar, CH4 ): tính toán cho thấy, khí trơ chiếm 10% thể tích áp suất 1000 atm có tác dụng tương đương với áp suất 250 atm khí trơ Các phương pháp xác định số cân 5.1 Phương pháp trực tiếp - Xác định thông số áp suất hay nồng độ trạng thái cân Cũng tiến hành khảo sát trình đạt cân phản ứng cách từ hai chiều ngược hướng tới trạng thái cân bằng; số cân tính theo chiều thuận theo chiều nghịch xấp xỉ xem trạng thái khảo sát đạt cân - Thành phần hỗn hợp cân cân không phép chuyển dịch Điều khắc phục cách làm lạnh đột ngột hệ phản ứng dùng chất ức chế để kìm hãm tốc độ phản ứng, tránh chuyển dịch cân 5.2 Phương pháp gián tiếp - Đối với số phản ứng, chúng xảy làm thay đổi số tính chất hoá lý chung hệ áp suất, thể tích, khối lượng riêng, cường độ màu, độ phóng xạ, độ dẫn điện, độ hấp thụ xạ, độ khúc xạ ánh sáng, độ quay ánh sáng phân cực Vì có phân tích gián tiếp thành phần chất cách đo tính chất hoá lý bên tính toán thông qua giá trị 5.3 Phương pháp nhiệt động Hằng số cân có mối quan hệ chặt chẽ với đại lượng nhiệt động, nên đo tính toán đại lượng nhiệt đông suy số cân Theo phương trình đẳng nhiệt Van't Hoff: ∆G 0T lnKp = RT Mặt khác tính toán ∆GT0 hiệt độ khác theo phương trình Gibbs 0 Helmholtz từ giá trị ∆H 298 , ∆G298 ∆C p tra Sổ tay hoá lý, nên tính số cân phản ứng nhiệt độ khác Chương HỆ THỐNG HÓA BÀI TẬP Dạng 1: Thành phần cân hệ phản ứng loại số cân a) Kiến thức cần lưu ý Xem mục Các loại số cân mối quan hệ chúng phần I (lý thuyết) Trong loại số cân K n sử dụng thường xuyên toán liên quan đến số mol, dùng KP liên quan đến áp suất Chú ý: - Trong biểu thức tính KP, đề cho áp suất nên chuyển atm bar (tùy theo đầu cho áp suất tiêu chuẩn gì, không cho đổi atm) - Mối quan hệ hiệu ứng nhiệt đẳng áp ∆H o hiệu ứng nhiệt đẳng tích phản ứng: ∆H o = ∆U o + ∆nRT , giá trị đơn vị R tùy theo ∆H o - Một số chuyển đổi cần nhớ: atm = 760 mmHg = 760 tor = 1,01325.105 Pa (hay N/m2) = 1,01325 bar b) Ví dụ minh họa Ví dụ 1.1: Ở 800K, số cân phản ứng sau 4,12 : CO + H2O € CO2 + H2 Đun hỗn hợp chứa 20% khối lượng CO 80% H2O đến 800 K Hãy xác định thành phần phần trăm khối lượng hỗn hợp cân lượng H sinh dùng kg nước Lời giải Ta có: m(H2O) =1000g suy ra: m(CO) = 250g nên n(CO) = 250 500 mol n(H2O) = 28 mol Phản ứng: CO + H2O € CO2 + H2 Bđ 250 28 500 0 Pư x x x x x x [ ] 250 -x 28 500 -x Vì ∆n = nên KP = KC = KX = Kn nên Kn = nCO2 nH nCO nH 2O 10 K = 4,12 x2 =  250  500  = 4,12 − x ÷ − x÷   28   a) Xác định ∆H0; ∆S0 (1) (2) giả thiết ∆H0; ∆S0 không phụ thuộc vào nhiệt độ b) Trong bình kín dung tích không đổi nhiệt độ 1000 0C, ban đầu có 0,1 mol Fe3O4, người ta 0,4 mol cho H2 vào Xác định thành phần hệ thời điểm cân Đáp số: a Phản ứng (1): ∆ H0 = 64594,79 J ; ∆ S0 = 69,75 J/K; Phản ứng (2): ∆ H0 = 14303,4 J; ∆ S0 = 10,97 J/K b nH = 0, 203 mol; nH O = 0,197 mol; nFeO = 0, 203 mol; nFe = 0, 097 mol 2 Bài 5.3: Nhiệt phân thạch cao, CaSO4 , sử dụng hai cân sau: (1) CaSO4(kt) € CaO(kt) + SO3(k) K 1o (1400 K ) = 7,0.10 −6 (2) SO3(k) € SO2(k) + ½ O2(k) K 2o (1400 K ) = 20 1) Xác định áp suất riêng phần cân có CaSO đưa vào bình ban đầu chân không đưa lên đến 1400K 2) Trong thực tế, người ta thêm SiO2 vào CaSO4: cân (1) thay cân (3): (3) o CaSO4(kt) + SiO2(kt) € CaSiO3(kt) + SO3(k) K (1400 K ) = 1,0 a) Xác định số cân (4): (4) CaO(kt) + SiO2(kt) € CaSiO3(kt) b) Tính áp suất riêng phần SO điều kiện này; kết luận lợi ích việc thêm SiO2 Đáp số: Áp suất: SO3 = 7,0.10-6 bar; O2 = 1,7.10-3 bar; SO2 = 3,4.10-3 bar 2a K4 = 1,43.105; P(SO2) = 9,28 bar; Thêm SiO tạo thuận lợi cho phân hủy CaSO4 Dạng 6: Bài tập tổng hợp a) Ví dụ minh họa Ví dụ 6.1: Cho cân phân li đồng (II) bromua theo phương trình cân bằng: 2CuBr2(kt) € 2CuBr(kt) + Br2(k) Ở T1 = 450K, Pcb(Br2) = 6,71.10-3 bar 45 Ở T2 = 550K, Pcb(Br2) = 6,71.10-1 bar 1) Xác định entanpy tự chuẩn phản ứng T1 T2 2) Từ suy entanpy chuẩn entropy chuẩn phản ứng này, giả sử chúng không đổi khoảng 450 đến 550K 3) Trong bình ban đầu chân không, tích 10,0 lít trì 550K, ta cho vào 0,50 mol CuBr2 a) Xác định thành phần hệ cân b) Phải cho bình thể tích tối thiểu tất CuBr phân li hoàn toàn? 4) Một bình tích 10,0 lít, giữ 550K, chứa 0,500 mol CuBr 0,100 mol brom Hệ phản ứng nào? Lời giải 2CuBr2( r ) € 2CuBr( r ) + Br2( k ) 1) o ∆G450 = − RT1 ln K1 = 18722( J / mol ) = 18, 7(kJ / mol ) o ∆G550 = − RT2 ln K = 1824( J / mol ) = 1,82(kJ / mol ) 2) K2 R K1 o ∆Η = = 94761( J / mol ) = 94, 76(kJ / mol ) 1 − T1 T2 ln o ⇒ ∆S450 = 94, 76 − 18, = 0,169(kJ / mol ) = 169( J / mol ) 450 3) 2CuBr2( kt ) € a) Ban đầu : 0,5 0 Phản ứng : x x 0,5x x 0,5x [ ]: Ta có: 2CuBr + Br2 (k) 0,5 - x −1 K p2 = PBr2 = 6, 71.10 ⇒ nBr2 0, 671.105.10.10−3 = = 0,147(mol ) 8,314.550 Và: nCuBr = 0, 294 (mol ); nCuBr = 0, 206 (mol ) b) Để CuBr2 phân li hoàn toàn n(Br2) = 0,25 mol 46 nBr2 = 0, 25(mol ) ⇒ V = 4) PBr = nRT 0, 25.8,314.550 = 10 = 17(l ) P 0, 671.105 nRT 0,1.8,314.550 = 10 − = 0, 457 (bar) V 10.10−3 ⇒ Q p = 0, 457 < K p = 0, 671 ⇒ cân chuyển dịch theo chiều thuận, mà hệ CuBr2 nên hệ không phản ứng Ví dụ 6.2: (Đề thi học sinh giỏi quốc gia 2003) Khi nung nóng đến nhiệt độ cao PCl5 bị phân li theo phương trình PCl5 (k) € PCl3 (k) + Cl2 (k) 1) Cho m gam PCl5 vào bình dung tích V, đun nóng bình đến nhiệt độ T (K) để xảy phản ứng phân li PCl Sau đạt tới cân áp suất khí bình p Hãy thiết lập biểu thức K p theo độ phân li α áp suất p Thiết lập biểu thức Kc theo α, m, V 2) Trong thí nghiệm thực nhiệt độ T người ta cho 83,300 gam PCl5 vào bình dung tích V1 Sau đạt tới cân đo p 2,700 atm Hỗn hợp khí bình có tỉ khối so với hiđro 68,862 Tính α Kp 3) Trong thí nghiệm giữ nguyên lượng PCl nhiệt độ thí nghiệm thay dung tích V2 đo áp suất cân 0,500 atm Tính tỉ số V2/V1 4) Trong thí nghiệm giữ nguyên lượng PCl dung tích bình V1 thí nghiệm hạ nhiệt độ bình đến T = 0,9T1 đo áp suất cân 1,944 atm Tính Kp α Từ cho biết phản ứng phân li PCl thu nhiệt hay phát nhiệt Cho: Cl = 35,453 ; P = 30,974 ; H = 1,008 ; Các khí khí lí tưởng Lời giải PCl5(k) € Ban đầu: x mol Cân bằng: x – x.α PCl3(k) + Cl2(k) x.α Tổng số mol lúc cân bằng: x + x.α Tính Kp: K P = Kn P ( xα ) P α2 = = P x + xα x − xα x + xα − α 47 x.α Tính Kc: K C = K P ( RT ) −∆n = Nên K C = m α2 P α2 n (1 + α ) = , với n = x + xα = M 2 PCl5 − α RT − α V α2 n α m(1 + α ) α m = = 2 − α V − α M PCl5 V − α 208, 239.V Thí nghiệm 1: nPCl5 = 0, mol M hh = 68,826.2, 016 = 138, 753 g / mol Tổng số mol khí lúc cân bằng: n1 = x(1 + α ) = 83,3 = 0, mol = 0, 4(1 + α ) ⇒ α = 0,5 138, 753 α2 0,52 P = 2, = 0,9 Kp T1 là: K P = 1−α − 0,52 Thí nghiệm 2: - Giữ nguyên nhiệt độ → KP không đổi - Giữ nguyên số mol PCl5 ban đầu : x= 0,4 mol - Áp suất cân p2=0,5 atm α2 KP = 0,5 = 0,9 ⇒ α = 0,802 1−α Tổng số mol khí lúc cân bằng: n2 = 0,4.(1+0,802) = 0,721 mol Vậy: V2 0, 721 2, = = 6, 489 (Vì T = const) V1 0, 0,5 Thí nghiệm 3: - Thay đổi nhiệt độ → Kp thay đổi - Giữ nguyên số mol PCl5 ban đầu x = 0,4 mol V1 - Áp suất cân p3 thay đổi do: nhiệt độ giảm (T3 = 0,9T1), tổng số mol khí thay đổi (n3 ≠ n1) P3=1,944 atm ; α3 là: n3 = x(1 + α ) = 0, 4(1 + α ); PV = n3 RT3 = 0,9 n3 RT1 ; PV 1 = n1 RT1 Suy ra: P3 0,9n3 1,944 0, 4.(1 + α ).0,9 = ⇔ = tính được: α = 0, mol P1 n1 2, 0, Nên n3 = 0,48 mol K P (T3 ) = α2 0, 22 P = 1,944 = 0, 081 1−α − 0, 22 48 Khi hạ nhiệt độ, Kp giảm → cân chuyển dịch theo chiều nghịch Chiều nghịch chiều phát nhiệt → Chiều thuận chiều thu nhiệt Ví dụ 6.3: (Đề thi học sinh giỏi quốc gia 2007) 1) Cho hai phản ứng graphit oxi: (a) C(gr) + ½ O2 (k) € (b) C(gr) + O2 (k) € CO2 (k) CO (k) Các đại lượng ∆H0, ∆S0 (phụ thuộc nhiệt độ) phản ứng sau: ∆H0T(a) (J/mol) ∆H0T(b) (J/mol) = - 112298,8 + 5,94T = - 393740,1 + 0,77T ∆S0T(a) (J/K.mol) = 54,0 + 6,21lnT ∆S0T(b) (J/K.mol) = 1,54 - 0,77 lnT Hãy lập hàm lượng tự Gibbs theo nhiệt độ ∆G 0T(a) = f(T), ∆G0T(b) = f(T) cho biết tăng nhiệt độ chúng biến đổi nào? 2) Trong thí nghiệm người ta cho bột NiO khí CO vào bình kín, đun nóng bình lên đến 14000C Sau đạt tới cân bằng, bình có bốn chất NiO(r), Ni(r), CO(k) CO2(k) CO chiếm 1%, CO chiếm 99% thể tích; áp suất khí 1,000bar (1,000.105 Pa) Dựa vào kết thí nghiệm kiện nhiệt động cho trên, tính áp suất khí O2 tồn cân với hỗn hợp NiO Ni 14000C Lời giải 1) ∆ G T0 (a ) = ∆H T0 (a ) − T∆S T0 (a) (a) ∆ G T0 ( a) = (- 112298,8 + 5,94 T) – T(54,0 + 6,21 lnT) ∆GT0 (a) = -112298,8 – 48,06T - 6,21T lnT Khi tăng T → G0 giảm (b) ∆GT0 (b) = ( - 393740,1 + 0,77 T ) – T (1,54 - 0,77 lnT) ∆GT0 (b) = ( - 393740,1 - 0,77 T + 0,77 TlnT) Với T > 2,718 → 0,77 lnT > 0,77 T nên T tăng ∆ G T0 tăng * Từ phương trình (a), (b) tìm hàm Kp (c) 1673K cho phản ứng (c): O2 (k) (a) C (gr) + (b) C (gr) + O2 (k) 49 CO (k) CO2 (k) x -1 x1 (c) CO (k) + O2 (k) CO2 (k) Ta thấy : (c) = (b) - (a) nên ∆ G T0 (c) = ∆GT0 (b) − ∆GT0 ( a) ∆GT0 (c) = [ -393740,1 – 0,77 T + 0,77 TlnT] - [-112298,8 -48,06T -6,21 TlnT] ∆G 0T (c) = −281441,3 + 47,29T + 6,98 T ln T ∆G 1673 (c) = −115650 J / mol lnKp, 1673 (c) = − ∆G (c) 115650 = = 8,313457 RT 8,314.1673 Kp, 1673 (c) = 4083 * Xét phản ứng O2 (k) (c) CO (k) + (d) NiO (r) + CO (k) (1) NiO (r) Ở 1673K có Kp (d) = 1/ Kp (1)= p O = pCO2 pCO = CO2 (k) x -1 Ni (r) + CO2 (k) x Ni (r) + O2 (k) 99 Kp (d) 99 = = 0,024247 = 2,42247.10 −2 1673K Kp (c) 4083 p O = [ K p (1)] = (2,4247 10-2)2 P O = 5,88 10-4 bar = 58, Pa Ví dụ 6.4: (Đề thi học sinh giỏi quốc gia 2010) Công đoạn trình sản xuất silic có độ tinh khiết cao phục vụ cho công nghệ bán dẫn thực phản ứng: SiO2(r) + 2C(r) € Si(r) + 2CO(k) (1) 1) Không cần tính toán, dựa vào hiểu biết hàm entropi, dự đoán thay đổi (tăng hay giảm) entropi hệ xảy phản ứng (1) 2) Tính ∆S o trình điều chế silic theo phản ứng (1), dựa vào giá trị entropi chuẩn đây: Chất SiO2(r) C(r) Si(r) CO(k) So (J/mol.K) 41,8 5,7 18,8 197,6 50 3) Tính giá trị ∆G o phản ứng 25oC Biến thiên entanpi hình thành điều kiện tiêu chuẩn ( ∆H f ) SiO2 CO có giá trị tương ứng là: -910,9 o kJ/mol ; -110,5 kJ/mol 4) Phản ứng (1) diễn ưu theo chiều thuận nhiệt độ nào? (Coi phụ thuộc ∆S ∆H vào nhiệt độ không đáng kể) Lời giải Theo chiều thuận phản ứng (1) tăng mol ↑ trạng thái khí so mức độ hỗn loạn cao trạng thái rắn, tức có entropi lớn Vậy phản ứng xảy theo chiều thuận entropy hệ tăng ∆S0 = 2.197,6 + 18,8 – 2.5,7 = 41,8 = 360,8 (J/molk) ∆ G0 = 2.(-110,5) + 910,9 – 298.360,8.10-3 = 582,4 (kJ) Phản ứng (1) diễn theo chiều thuận ∆G bắt đầu có giá trị âm : ∆G = 689,9 – T.360,8.10-3 = => T = 1912K Vậy từ nhiệt độ lớn 1912K, phản ứng diễn theo chiều thuận Ví dụ 6.5: (Đề thi học sinh gỏi quốc gia 2011) Cho số khí R = 8,314 J.mol -1.K-1 Ở áp suất tiêu chuẩn P0 = 1,000 bar = 1,000.105 Pa, nhiệt độ 298K, ta có kiện nhiệt động học: Khí Biến thiên entanpi hình H2 thành N2 NH3 -45,9 ∆H of (kJ mol −1 ) Entropi S0 (J.mol-1.K-1) 130,7 191,6 192,8 N≡N Liên kết Biến thiên entanpi 945 N=N N–N H–H 466 159 436 o −1 phân li liên kết ∆H b (kJ mol ) 1) Tính biến thiên entanpi, biến thiên entropi, biến thiên lượng tự Gibbs số cân K phản ứng tổng hợp amoniac từ nitơ hiđro điều kiện nhiệt độ áp suất 2) Trong thực tế sản xuất, phản ứng tổng hợp amoniac thực nhiệt độ cao a Chấp nhận gần việc bỏ qua phụ thuộc nhiệt độ ∆H ∆S tính số cân K phản ứng T = 773 K 51 b Nhận xét hướng ưu tiên phản ứng 298 K 773 K Giải thích lại tiến hành tổng hợp NH nhiệt độ cao Để tăng hiệu suất tổng hợp amoniac công nghiệp, đưa biện pháp gì? Giải thích o 3) Tính biến thiên entanpi phân li liên kết ∆H b liên kết N- H phân tử amoniac Lời giải N2 + 3H2 € 2NH3 (1) Ở 298K , ∆H0 = -91,8 (kJ/mol) ; ∆S0 = -198,1 (J/molk) ∆G0 = ∆H0 – 298 ∆S0 = -32,8 (kJ/mol) Mà ∆G0 = -RTlnK nên lnK = −∆G = 13, 24 => K = 5,62.105 RT a) Ở 773K : ∆G0(773K) = ∆H0 - T∆S0 ≈ -91,8 + 773.198,1.10-6 = 61,3 (kJ/mol) => lnK = -9,54 => k = 7,2.10-5 b) Ở 298k số CB K >>1 Pư (1) diễn ưu tiên cho chiều thuận; Ở 773k, số CB K 841K ; Nhiệt: 70455kJ; Công: -3266 kJ; ΔG = -2657kJ; T > 735,5K 56 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN Kết Qua nhiều năm giảng dạy biện pháp đổi phương pháp dạy học nói chung nghiên cứu hệ thống tập cân hóa học thân gặt hái số thành công nhỏ công tác bồi dưỡng học sinh giỏi sau: Năm học Số học sinh Số học sinh đạt có đội Số học sinh Số HS đạt giải Số học sinh đạt giải HSG duyên đạt học sinh olympic 30/4 hải đồng giỏi tỉnh giải quốc gia tuyển dự thi HSG quốc 2013 - 2014 gia bắc 01 huy chương đồng Chưa tham 01 giải nhì gia 03 giải ba 03 2014 - 2015 02 huy chương đồng Chưa tham gia khuyến khích 04 giải nhì 07 giải ba 04 2015 - 2016 Tham gia bồi dưỡng đội 01 chương Bạc tuyển thi HSG 02 quốc gia huy huy chương đồng 02 huy giải khuyến khích 06 giải nhì chương Đồng 07 giải ba 02 giải khuyến khích tỉnh: 04 giải khuyến khích Kết luận Thông qua việc giảng dạy nghiên cứu, từ kết nhận thức việc đổi phương pháp dạy học “dạy học hướng vào học sinh” việc nghiên cứu sử dụng phương pháp dạy học nhằm phát triển tư học sinh qua hệ thống tập góp phần vào đổi phương pháp dạy học nhằm tích 57 giải cực hoá hoạt động nhận thức học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học hoá học trường phổ thông Cân hóa học phần quan trọng hóa học chủ đề đề cập thường xuyên kì thi học sinh giỏi khu vực, quốc gia quốc tế Để học sinh dễ dàng nắm bắt kiến thức lý thuyết làm tập hoạt động cần thiết có hiệu Việc phân dạng tập theo chủ đề Cân hóa học tác giả phân loại hẳn chưa phải tối ưu, nhiên góp phần đáng kể vào việc học tập có hệ thống logic học sinh Có dạng tác giả phân loại: Dạng 1: Thành phần cân hệ phản ứng loại số cân Dạng 2: Hằng số cân đại lượng nhiệt động ∆G o , ∆H o , ∆S o Dạng 3: Bài tập có sử dụng tổ hợp cân Dạng : Bài tập có liên quan đến dịch chuyển cân Dạng 5: Bài toán có cân nối tiếp cân đồng thời Dạng 6: Bài tập tổng hợp Mỗi dạng có Ví dụ minh họa Bài tập vận dụng kèm theo Mặc dù có nhiều cố gắng khả thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, mong đồng nghiệp phát góp ý để tác giả sửa chữa kịp thời 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Lượng, Nhiệt động hóa học, NXB KHKT 2005 Trần Văn Nhân, Hóa lý tập 1, 3, NXBGD 1999 Lâm Ngọc Thiềm, Bài tập Hóa lý sở, NXB KHKT 2003 Đề thi chọn Học sinh giỏi Quốc gia năm 2001 đến 2015 Đề thi chọn đội tuyển thi Học sinh giỏi Quốc tế năm 2001 đến 2013 Đề thi chuẩn bị Nga (2009);Mỹ (2012) André DURUPTHY, Hóa học năm thứ hai (Từ Ngọc Ánh dịch), NXBGD, 2006 René Dier, Bài tập Hóa Đại cương, Vũ Đăng Độ dịch, NXB ĐHQGHN, 1996 Lê Mậu Quyền, Bài tập Hóa Đại cương, NXBGD, 2008 10 Đề thi thức đề nghị kì thi Olympic 30/4 Khu vực Duyên hải Bắc năm 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 59 ... công tác bồi dưỡng học sinh giỏi mong nhận góp ý Quý thầy cô giáo để tiếp tục cố gắng hoàn thiện đề tài Mục đích nghiên cứu Xây dựng hệ thống tập cân hóa học sử dụng bồi dưỡng học sinh giỏi dùng... cứu tập cân hóa học dựa vào tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh học sinh giỏi Quốc Gia - Sưu tầm biên soạn theo dạng cụ thể tập cân Hóa học dùng cho học sinh chuyên Hóa. .. dùng cho lớp chuyên Hóa học bậc Trung Học Phổ Thông giúp Học sinh học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập môn hóa học Giới hạn phạm