Đang tải... (xem toàn văn)
Tuyển chọn một số chuyên đề ôn thi Olympic Hóa học 10, 11 như tốc độ phản ứng, động hóa học, ...Tuyển chọn một số chuyên đề ôn thi Olympic Hóa học 10, 11 như tốc độ phản ứng, động hóa học, ...Tuyển chọn một số chuyên đề ôn thi Olympic Hóa học 10, 11 như tốc độ phản ứng, động hóa học, ...
TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI OLIMPIC &CASIO HĨA HỌC CHUN ĐỀ 1: ĐỢNG HĨA HỌC A MỢT SỚ NỘI DUNG LÝ THUYẾT CẦN NẮM I TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC ĐỒNG THỂ Phản ứng hóa học đồng thê là phản ứng mà đó các chất phản ứng ở cùng một pha khí, lỏng hoặc rắn Trong nội dung này ta chỉ nghiên cứu loại phản ứng đồng thể Giả sử có phản ứng: aA + bB � cC + dD thì tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo công thức: v CA CB CC C D a t b t c t d t Vậy tốc độ của phản ứng hóa học chính là độ biến thiên nồng độ của một các chất phản ứng hoặc sản phẩm một đơn vị thời gian Tùy theo thời gian tiến hành phản ứng mà đơn vị tốc độ phản ứng có thể là mol/l.s, mol/l.phút hoặc mol/l.h Ví dụ: Xét phản ứng phân hủy N2O5 dung môi CCl4 ở 450C : N2O5 N2O4 + O2 Ban đầu nồng độ của N2O5 là 2,33M, sau 184 giây nồng độ của N 2O5 là 2,08M Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo N2O5 Lời giải: Tốc độ trung bình của phản ứng tính theo N2O5 là v 2, 08 2,33 1,36.10 3 (mol.l 1.s 1 ) 184 II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG Ảnh hưởng của nồng đô Khi nồng độ chất phản ứng tăng thì mật độ tiểu phân tham gia phản ứng tăng, số lần va chạm có hiệu quả cũng tăng nên tốc độ phản ứng tăng Sự ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng được biểu diễn qua định luật tác dụng khối lượng của Guldberg-Waage (1867) a b Giả sử có phản ứng: aA + bB � cC + dD thì v kCA C B (k là hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào bản chất từng phản ứng, nhiệt độ và chất xúc tác) Theo công thức này thì a, b là bậc riêng phần của các chất A, B và tổng a + b gọi là bậc toàn phần của phản ứng Ảnh hưởng của nhiệt đô Khi nhiệt độ phản ứng tăng thì tốc độ chuyển động của các tiểu phân phản ứng tăng, lượng của chúng cũng tăng dẫn tới số lần va chạm có hiệu quả tăng � tốc độ phản ứng tăng Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được biểu diễn qua công thức Van’t Hoff (ông đã xác định được tăng nhiệt độ phản ứng lên 100C thì tốc độ phản ứng thường tăng từ đến lần) v T2 v T1 T2 T1 10 ( là hệ số nhiệt độ nằm khoảng đến 4) (Lưu ý là công thức này chỉ gần đúng cho khoảng nhiệt độ không cao) Ảnh hưởng của các yếu tố khác Ngoài các yếu tố kể tốc độ phản ứng còn phụ thuộc áp suất, chất xúc tác, diện tích bề mặt, tốc độ khuấy trộn, môi trường xảy phản ứng, III ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN Phản ứng bậc Xét phản ứng: A � B [A]0 la� no� ng � o� ban � a� u cu� aA � d[A] [A] � v k[A] � ln kt với � [A] la� no� ng � o� ta� i th� � i� ie� m t� nh to� c� o� pha� n� � ng cu� aA dt [A]0 �k la� ng so� to� c� o� pha� n� � ng � ha� [A]0 ln Khi [A] thì t1/2 (t1/2 được gọi là thời gian bán phản ứng hay chu kì bán hủy) k Phản ứng bậc Xét phản ứng: A + B � C + D Nếu nồng độ ban đầu của A, B bằng thì ta có v THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG d[A] 1 k[A]2 � kt dt [A] [A]0 Page TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO Khi [A] [A]0 thì t1/2 k[A]0 Nếu nồng độ ban đầu của A, B khác thì ta có � A + B C Ban đầu (t = 0) a(M) b(M) Tại thời điểm t a–x b–x x v dx a(b x) k(a x)(b x) � ln kt dt b a b(a x) + D x (b > a) Phản ứng bậc và bậc n phức tạp nên ta không xét ở IV XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG PHÁP THẾ Để xác định bậc phản ứng có thể dùng phương pháp thế, phương pháp đồ thị hoặc phương pháp thời gian nửa phản ứng Trong nội dung bài viết xin được giới thiệu phương pháp thế (thường gặp các bài tập ở chương trình phổ thông) Nội dung phương pháp thế là thế nồng độ một chất nào đó tìm được bằng thực nghiệm ở những thời điểm khác vào phương trình động học bậc 1, 2, xem phương trình nào cho giá trị không đổi của k V Phương trình Arrhenius k Ae Ea RT hay ln k Ea ln A RT Ea � ln k ln A (*) T � RT2 � Khi biết k ở nhiệt độ khác thì � E � ln k T1 a ln A (**) � RT1 � k T2 E a �1 � Lấy (*) – (**) ta được biểu thức ln � � k T1 R �T1 T2 � k la� ha� ng so� to� c� o� pha� n� � ng � � R la� ha� ng so� kh�ly� t� � � ng (R =8,314J.K 1.mol 1 ) Trong đó � � E a la� na� ng l� � � ng hoa� t ho� a cu� a pha� n� � ng � VI MỘT SỐ VÍ DỤ ÁP DỤNG Ví dụ Phản ứng phân hủy phóng xạ của một đồng vị là phản ứng bậc một và có chu kì bán hủy t 1/2 = 15 phút Hỏi sau thì 75% đồng vị đó bị phân hủy? Lời giải: [A] [A]0 ln 0, 693 kt � t ln với k (phút-1); [A] = 0,25[A]0 [A]0 k [A] t1/2 15 15 ln 30 (phút) � Để 75% đồng vị đó phân hủy thì thời gian cần là t 0, 693 0, 25 Áp dụng công thức: ln Ví dụ Ở 100C một phản ứng kết thúc sau 95 giây còn ở ở 20 0C thì kết thúc sau 60 giây Tính lượng hoạt hóa của phản ứng Lời giải: �1 � R.T1.T2 k T2 ln � �� E a k T1 T2 T1 k T1 �T1 T2 � v t 95 8,314.283.293 95 � Ea ln 31679, 633J hay �31,68 kJ v1 t 60 293 283 60 Áp dụng công thức: ln với k T2 k T1 k T2 Ea R Ví dụ Phản ứng A + B C có bậc riêng phần đối với A và B đều bằng 1, hằng số tốc độ phản ứng k = 0,001 mol l.s-1 Biết nồng độ ban đầu của A và B lần lượt là 0,100M và 0,200M, hãy tính độ giảm nồng độ và nồng độ A, B còn lại sau 100 giây Lời giải: Bậc riêng phần của A, B đều là nên bậc toàn phần của phản ứng bằng Gọi x là nồng độ của A cũng B đã phản ứng � áp dụng công thức: THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO a 0,1000 � �b 0, 2000 a(b x) � ln kt với � x b a b(a x) �k 0, 001 � �t 100 0, 002M Vậy: Nồng độ còn lại sau 100 giây của A là 0,098M, của B là 0,198M Ví dụ Kết quả khảo sát động học của phản ứng: A + B � C + D được cho theo bảng sau Thí nghiệm CA (mol/l) CB (mol/l) Tốc đô phản ứng (mol/l.phút) Thí nghiệm 0,5 0,5 5.102 Thí nghiệm 1,0 1,0 20.102 Thí nghiệm 0,5 1,0 20.102 a) Xác định bậc phản ứng và tính hằng số tốc độ của phản ứng b) Tính tốc độ của phản ứng CA = CB = 0,2 (mol/l) c) Tính thời gian cần thiết để một nửa lượng chất (tính theo câu b) phản ứng Lời giải: a b a) Biểu thức tính tốc độ của phản ứng đã cho có dạng: v kCA C B (trong đó k là hằng số tốc độ của phản ứng) Theo kết quả đo được ở bảng thì v1 k.0,5a.0,5b 5.102 v k.1, 0a.1, 0b 20.10 2 v3 k.0,5a.1, b 20.10 2 v v2 2a � a 0; b � b Dễ thấy: v3 v1 Biểu thức tính tốc độ của phản ứng được viết lại: v kC B � Đây là phản ứng bậc Thay x, y vào biểu thức của v1, v2, v3 ta tìm được k = 0,2 (mol-1.l.ph-1) 2 3 b) Thay CB = 0,2 mol/l vào biểu thức ta được: v kC B 0, 2.0, 8.10 (mol.l-1.ph-1) c) Vì phản ứng đã cho là phản ứng bậc nên ta có t1/2 1 25 (phút) k.CB 0, 2.0, Ví dụ (THPT CHUYÊN TRẦN HƯNG ĐẠO, BÌNH THUẬN 2014) Cho phản ứng: 2N2O5 (khí) � 4NO2 (khí) + O2 (khí) ở nhiệt độ T (K) với kết quả thực nghiệm sau Thí nghiệm Nồng đô N2O5 (mol/l) Tốc đô phân hủy (mol/l.s) Thí nghiệm 0,170 1,39.103 Thí nghiệm 0,340 2, 78.103 Thí nghiệm 0,680 5,55.103 a) Viết biểu thức tốc độ phản ứng và xác định bậc phản ứng b) Biết lượng hoạt hóa của phản ứng là 24,74 kcal/mol và ở 25 0C nồng độ N2O5 giảm một nửa sau 341,4 giây, hãy tính T (K) Lời giải: x a) Biểu thức tốc độ của phản ứng đã cho có dạng: v k[N O5 ] , dựa vào các kết quả thực nghiệm ta có v 0,340 x 2, 78.103 � x � x v1 0,170 x 1,39.103 Vậy biểu thức tốc độ phản ứng: v k[N O5 ] , bậc phản ứng bằng 1,39.103 8,176.103.s 1 0,170 ln 2, 03.103.s 1 t1/2 b) Từ biểu thức tốc độ phản ứng ta tính được: k Vì phản ứng bậc nên ở 250C ta tính được: k 298 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO T1 298K; T2 T � �1 � � E a 24, 74kcal / mol 24740cal / mol � T 308K Áp dụng công thức: ln � �với � k T1 �T1 T2 � � R 8,314J / K.mol 1,986cal / K.mol � Ví dụ Cho phản ứng: aA + bB � cC với các số liệu thực nghiệm sau k T2 E a R Nồng đô ban đầu (mol/l) Thời gian thí Nồng đô cuối của A nghiệm (h) (mol/l) A B Thí nghiệm 0,1000 1,0 0,5 0,0975 Thí nghiệm 0,1000 2,0 0,5 0,0900 Thí nghiệm 0,0500 1,0 2,0 0,0450 a) Xác định tốc độ trung bình của phản ứng ở mỗi thí nghiệm b) Xác định bậc phản ứng riêng của A, B, bậc của phản ứng và giá trị hằng số tốc độ phản ứng Lời giải: Thí nghiệm a) Áp dụng công thức: v1 C k[A]x [B]y dựa vào các số liệu thực nghiệm ta được t 0, 0975 0,1000 0, 005(mol / l.h) k[0,1]x [1, 0]y 0,5 0, 0900 0,1000 v2 0, 02(mol / l.h) k[0,1]x [2, 0]y 0,5 0, 0450 0, 0500 v3 0, 0025(mol / l.h) k[0, 05]x [1, 0]y 2, v k.0,1x.2, y 0,02 v1 k.0,1x.1,0 y 0, 005 y � � y 2; � x � x b) Lập tỉ lệ: x y x y 0, 005 0, 0025 v1 k.0,1 1, v3 k.0, 05 1, v1 Vậy phản ứng là bậc với A, bậc đối với B, bậc tổng cộng của phản ứng bằng Hằng số tốc độ của phản ứng được tính từ công thức: v k[A][B]2 � k v 0, 005 0, 05(l mol 2 h 1 ) [A][B] 0,1.1, (Thường để chính xác nhất thì ta tính hằng số tốc độ phản ứng từng thí nghiệm rồi sau đó lấy giá trị trung bình cộng) � H 2O Ví dụ Sự phân hủy H2O2 dung dịch nước sau: H O ��� MnO O2 Người ta tiến hành phân hủy 15 cm3 dung dịch H2O2, nếu sự phân hủy là hoàn toàn thì thu được 6,18 cm O2 (đktc) Ở các thời gian trung gian thì thể tích O2 thu được sau Thời gian (phút) 14 VO2 (cm3 ) 1,24 2,36 3,36 3,98 5,23 Hãy xác định bậc của phản ứng và tính hằng số tốc độ của phản ứng phân hủy H 2O2 Lời giải: Ta tính thể tích H2O2 đã bị phân hủy tương ứng với các thời gian trung gian sau: VH2O2 được theo bảng dưới Thời gian (phút) 15.VO2 6,18 Kết quả thu 14 VO2 (cm ) 1,24 2,36 3,36 3,98 5,23 VH2 O2 (cm ) 3,01 5,73 8,16 9,66 12,69 t Giả sử phản ứng đã cho là phản ứng bậc thì ta có: k ln bảng sau Thời gian (phút) VH2O2 (cm ) [A]0 V0 ln thay các giá trị vào ta được kết quả [A] t V0 x 14 3,01 5,73 8,16 9,66 12,69 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO k (ph-1) 0,112 0,120 0,131 0,129 0,134 Vì các giá trị k thu được là không chênh lệch đáng kể nên giả thiết của ta là đúng Vậy phản ứng phân hủy H 2O2 0,112 0,120 0,131 0,129 0,134 0,125(ph 1 ) Ví dụ Phản ứng phân hủy axeton diễn theo phương trình: CH3CO � C2H4 + H2 + CO là phản ứng bậc với k Theo thời gian phản ứng, áp suất chung của hệ đo được sau Thời gian (phút) 6,5 13 19,9 P (mmHg) 312 408 488 562 Hãy chứng tỏ phản ứng là phản ứng bậc nhất và tính hằng số tốc độ của phản ứng Biết rằng các chất phản ứng đều ở pha khí, bình phản ứng có dung tích không đổi và nhiệt độ được giữ cố định Lời giải: Do áp suất tỉ lệ với nồng độ chất khí nên phương trình động học có thể thay nồng độ bằng áp suất riêng phần Gọi P0 là áp suất ban đầu của axeton và x là áp suất riêng phần của C 2H4 tại thời điểm t thì áp suất riêng phần của H cũng CO cũng là x � (CH3)2CO C2H4 + H2 + CO Ban đầu P0 0 Thời điểm t P0 – x x x x � P P0 x � � � Suy áp suất chung của hệ: (P0 – x) + x + x + x = P0 + 2x � P P0 3P0 P � P0 x P0 � 2 P 2P0 [A]0 1 ln ln Giả sử phản ứng là bậc nhất thì: k ln t [A] t P0 x t 3P0 P Thay các giá trị P, P0 (P0 = 312) vào phương trình ta được bảng kết quả sau Thời gian (phút) 6,5 13 19,9 P (mmHg) 312 408 488 562 k (ph-1) 0,02570 0,02549 0,02572 Vì các giá trị k thu được là xấp xỉ nên giả thiết của ta đúng Phản ứng phân hủy axeton tuân theo phương trình động học bậc nhất với k 0, 02570 0,02549 0,02572 0, 02564(ph 1 ) BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài (OLIMPIC 10-2012) Cho phản ứng: AB (k) � A (k) + B (k) Người ta tiến hành nung nóng 0,1 mol AB (k) ở 600K bình phản ứng có dung tích lít và đo áp suất của hỗn hợp các chất bình thì thu được các số liệu thực nghiệm sau Thời gian (giờ) P (atm) 4,92 5,67 6,31 7,31 8,54 a) Xác định bậc phản ứng b) Tính hằng số tốc độ và thời gian bán phản ứng ở 600K c) Tính áp suất bình sau tiến hành phản ứng 24 giờ Đáp số:a) Bậc 1; b) k = 0,166 (h-1); t1/2 = 4,1753h c) 9,747atm Bài (CHUYÊN LÊ KHIẾT-QUẢNG NGÃI 2012) Khí N2O5 phân hủy tạo NO2 và O2 với tốc độ đầu ở 250C được cho theo bảng sau [N2O5] (M) 0,150 0,350 0,650 4 4 -1 -1 Tốc đô phân hủy (mol.l ph ) 3, 42.10 7,98.10 1, 48.103 a) Viết biểu thức tốc độ phản ứng và tính hằng số tốc độ k cho phản ứng này b) Tính thời gian cần thiết để nồng độ N2O5 giảm từ 0,150M xuống còn 0,050M c) Ở 400C, tốc độ đầu của phản ứng với nồng độ 0,150M là 2,37.10 3 (mol.l-1.ph-1) Xác định lượng hoạt hóa của phản ứng này Đáp số:a) v = k[N2O5] (phản ứng bậc 1); k = 2, 28.103 ph 1 b) t = 482 phút c) Ea = 100 kJ/mol THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO Bài (HSG ĐÀ NẴNG 2006-2007) Brommetan có thể tham gia phản ứng với dung dịch kiềm: CH 3Br OH �� � CH 3OH Br Bảng số liệu sau cho biết tốc độ ban đầu của phản ứng và các nồng độ tương ứng Các thí nghiệm được tiến hành ở 250C Thí nghiệm CCH3 Br (M) CKOH (M) Tốc đô phản ứng (mol.l-1s-1) Thí nghiệm 0,100 0,100 2,80.106 Thí nghiệm 0,100 0,170 4, 76.106 Thí nghiệm 0,033 0,200 1,85.10 6 a) Xác định bậc phản ứng đối với từng chất ban đầu và bậc toàn phần của phản ứng b) Sau thì ở thí nghiệm chỉ còn 0,05M cho mỗi chất có bình? Đáp số:a) Bậc đối với OH , bậc đối với CH3Br, bậc toàn phần bằng b) t = 35714 giây Bài Phản ứng phân hủy đimetyl ete diễn theo phương trình: (CH3)2O � CH4 + H2 + CO Khi tiến hành phân hủy đimetyl ete một bình kín ở 504 0C và đo áp suất tổng quát của hệ người ta được kết quả Thời gian (giây) 1550 3100 P (mmHg) 400 800 1000 a) Chứng minh phản ứng đã cho là phản ứng bậc b) Tính hằng số tốc độ ở 5040C c) Tính áp suất tổng bình và phần trăm lượng (CH3)2O đã bị phân hủy sau 460 giây Đáp số:b) 4, 47.10 4 s 1 c) 548,6 mmHg; 18,575% Bài Hai mẫu đá vôi hình cầu có cùng thể tích là 10 cm3 a) Tính diện tích mặt cầu của mỗi mẫu đá đó b) Chia mẫu đá vôi thành quả cầu nhỏ bằng nhau, mỗi quả có thể tích 1,25 cm So sánh tổng diện tích mặt cầu của quả cầu nhỏ đó với diện tích mặt cầu của mẫu 10 cm c) Cho mẩu đá vôi 10 cm3 và mẫu đá hình cầu nhỏ ở vào cốc đựng dung dịch HCl cùng nồng độ thì trường hợp nào xảy phản ứng nhanh hơn? Giải thích? Đáp số:a) S 4 5, 7(cm ) b) Tổng diện tích quả cầu nhỏ gấp lần diện tích quả cầu lớn c) mẫu nhỏ phản ứng nhanh diện tích bề mặt lớn Bài (CHUYÊN QUỐC HỌC HUẾ-2006) Phản ứng: CO + Cl2 �� � COCl2 có biểu thức tốc độ là v = k[CO] 3 [Cl2]m Tìm m biết rằng đơn vị của v là mol l s 1 Tốc độ của phản ứng sẽ thay đổi thế nào nếu thể tích hỗn hợp được nén giảm n lần (n > 1) so với ban đầu? Biết quá trình nén đẳng nhiệt Đáp số: m ; tốc độ phản ứng tăng n lần Bài Cho phản ứng: C2H5I + NaOH C2H5OH + NaI Nồng độ ban đầu của hai chất phản ứng là bằng Để cho một nửa lượng chất ban đầu của các chất phản ứng chuyển thành sản phẩm ở 320C cần 906 phút a) Tính thời gian để một nửa lượng chất ban đầu của các chất phản ứng chuyển thành sản phẩm ở 60 0C biết hệ số nhiệt độ phản ứng = 2,83 b) Tính lượng hoạt hóa của phản ứng c) Tính hằng số tốc độ k ở hai nhiệt độ biết rằng phản ứng là bậc hai (bậc một đối với mỗi chất) và nồng độ ban đầu của mỗi chất đều bằng 0,05M Đáp số:a) t2 = 49 phút b) Ea = 87,67 kJ/mol c) k305 = 0,022 mol 1.l.ph 1 và k333 = 0,41 mol 1 l.ph 1 Bài Chu kì bán rã của đồng vị phóng xạ 95 Zr là 60,0 ngày Tính thời gian để 20,0% lượng 95 Zr bị phân rã biết rằng phản ứng phân hủy tuân theo phương trình động học bậc một Đáp số: 19 ngày Bài (OLIMPIC 10 ĐĂKLĂK-2017) Một mẫu đá được tìm thấy với thành phần: 13,2 (mg) 238 U và 2,06 (mg) THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO 206 Pb Biết quá trình phân dã 238 U thành 206 Pb có chu kì phân rã là 4,51.10 (năm); hãy tính tuổi của mẫu đá đó Đáp số: 1,08 109 năm Bài (CASIO Vĩnh Phúc 2009-2010) Một mẫu vật ban đầu có 0,30 mg 60 Co , sau 1,4 năm lượng 60 Co còn lại là 0,25 mg Tính chu kì bán hủy của 60 Co Đáp số: Khoảng 5,33 năm Bài 10 (CASIO Vĩnh Phúc 2010-2011) Một chất A bị phân hủy có thời gian bán hủy là 100 giây và không phụ thuộc vào nồng độ đầu của chất A Tính thời gian để 80% chất A bị phân hủy Đáp sớ: 232,193 giây Bài 11 (CASIO Q́C GIA 2008) Mợt mẩu than lấy từ hang động ở vùng núi đá vôi tỉnh Hòa Bình có 9,4 phân hủy 14 C ; hãy cho biết ngườiViệt cổ đại đã tạo mẩu than đó cách năm? Biết chu kỳ bán hủy của 14 C là 5730 năm, khí quyển có 15,3 phân hủy 14 C Các số phân hủy nói đều tính với 1,0 gam cacbon, xảy 1,0 giây Đáp số: Khoảng 4000 năm Bài 12 (CASIO QUỐC GIA 2011-2012) Xét sự thủy phân của este metyl axetat ở 250C các môi trường sau: Trường hợp 1: Trong môi trường kiềm, tăng nồng độ kiềm lên gấp đôi thì tốc độ phản ứng tăng lên hai lần Nhận xét này cũng được thấy tăng nồng độ của este lên hai lần Trường hợp 2: Phản ứng thuỷ phân được thực hiện môi trường đệm Trường hợp 3: Người ta tiến hành phản ứng thuỷ phân môi trường axit HCl 0,05M dư Động học của phản ứng được nghiên cứu bằng cách chuẩn độ 25 ml hỗn hợp phản ứng bằng dung dịch NaOH ở từng thời điểm t với kết quả sau : t [phút] 21 75 119 VNaOH [cm ] 24,4 25,8 29,3 31,7 47,2 a) Hãy viết phương trình động học của phản ứng Cho biết bậc của phản ứng từng trường hợp b) Trong trường hợp nếu cho 0,01 mol xút và 0,01 mol este vào 1lit nước (xem thể tích thay đổi không đáng kể) Sau 200 phút thì lượng este chưa bị thuỷ phân Tính hằng số tốc độ phản ứng k c) Trong trường hợp 3, hãy tính hằng số tốc độ phản ứng k và thời gian để este thuỷ phân hết 50% Từ đó hãy so sánh giá trị k1 và k3 Đáp số: a) TH1: v k1[CH 3COOCH ].[OH ] (bậc hai) TH2: v k [CH 3COOCH ] (bậc một) TH3: v k [CH3COOCH ] (bậc một) b) k1 = 0,75 mol 1.l.ph 1 c) k3 = 3,162 103 ph 1 ; t = 219 phút; k1 �237, 27 k3 Bài 13 (CHUYÊN HOÀNG LÊ KHA, TÂY NINH-2014) Một mẩu đồng vị 210 Po ở thời điểm t = phóng 1,736 1014 hạt một giây; sau ng ày mẩu đó phóng 1,44 1019 hạt một ngày a) Viết phương trình phân rã b) Tính khối lượng Po cần lấy lúc đầu để sau 10 ngày ta có mẩu vật có tốc độ phân rã 1Ci (1Ci = 3,7 1010 phân rã/giây) Đáp số: 2,027 104 (gam) Bài 14 (CASIO QUỐC GIA 2010-2011) Iot-131 phóng xạ được dùng dưới dạng natri iodua để điều trị ung thư tuyến giáp trạng Chất này phóng xạ với chu kì bán hủy là 8,05 ngày a) Viết phương trình phản ứng phân rã hạt nhân của iot-131 b) Nếu mẫu ban đầu chứa 1,0 g (microgam) iot-131 thì mỗi phút có hạt được phóng ra? Đáp số:a) 131 53 I �� � 1 e+ 11 b) 2,75 10 Bài 15 226 88 131 54 Xe nguyên tử/phút Ra có chu kì bán rã là 1590 năm; hãy tính khối lượng của một mẩu Ra có cường độ phóng xạ bằng 1Ci (Biết 1Ci = 1Ci = 3,7 1010 Bq) Đáp số: 1,0 gam THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO Bài 16 (CHUYÊN BẮC QUẢNG NAM-2014) Poloni 210 84 Po là chất phóng xạ tạo thành hạt nhân 206 82 Pb Chu kì 210 84 Po là 140 ngày; sau thời gian t = 420 ngày (kể từ thời điểm bắt đầu khảo sát) người ta thu được 10,3 bán rã của gam chì a) Tính khối lượng Po tại thời điểm t = b) Tại thời điểm bằng thì tỉ lệ khối lượng giữa Pb và Po bằng 0,8? Đáp số: a) 12,0 gam b) 120,45 ngày Bài 17 (CHUYÊN LÊ KHIẾT QUẢNG NGÃI-2012) Khi nghiên cứu một cổ vật nguồn gốc hữu chứa mg 14 C cacbon người ta nhận thấy tỉ lệ đồng vị 12 của mẫu là 1, 2.10 14 C 14 a) Có nguyên tử C mẫu b) Tốc độ phân rã của 14 C mẫu bằng bao nhiêu? c) Tuổi của mẫu nghiên cứu bằng bao nhiêu? Cho chu kì bán rã của 14 C là 5730 năm; hoạt độ phóng xạ riêng của cacbon thời chưa có các hoạt động hạt nhân của người là 227 Bq/kgC (1Bq = phân rã/giây) Đáp số: a) 6,02.105 nguyên tử b) 2,31.10 6 Bq c) 37925 năm Bài 18 (CHUYÊN LÊ QUÍ ĐÔN-NINH THUẬN 2012) Cho phản ứng: SO2Cl2 � SO2 + Cl2 Người ta tiến hành nung nóng 0,1 mol SO 2Cl2 ở 600K bình phản ứng có dung tích lít và đo áp suất của hỗn hợp các chất bình thì thu được các số liệu thực nghiệm sau: Thời gian (giờ) P (atm) 4,92 5,67 6,31 7,31 8,54 a) Xác định bậc phản ứng b) Tính hằng số tốc độ và thời gian bán phản ứng ở 600k c) Tính áp suất bình sau tiến hành phản ứng đúng ngày d) Nếu tiến hành phản ứng với cũng lượng SO 2Cl2 bình ở 620K thì sau giờ áp suất bình là 9,12 atm Tính hệ số nhiệt độ của phản ứng Đáp số: a) Phản ứng bậc 1; b) k 0,166.h 1 ; c) P = 9,747 atm; d) 2,181 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO CHUYÊN ĐỀ 2: CÂN BẰNG HÓA HỌC A LÝ THUYẾT CƠ BẢN I Khái niệm cân bằng hóa học và sự chuyên dịch cân bằng hóa học Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch đạt đến tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch Cân bằng hóa học là một cân bằng động Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác tác động của các yếu tố bên ngoài lên cân bằng II Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyên dịch cân bằng Nguyên lý chuyên dịch cân bằng Le Chatelier Một phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng chịu một tác động từ bên ngoài biến đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó III Hằng số cân bằng Hằng số cân bằng KP �� � cC + dD Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, � - Xét phản ứng thuận nghịch gồm các khí lý tưởng: aA + bB �� tại thời điểm cân bằng nếu áp suất riêng phần của A, B, C, D lần lượt là P A, PB, PC, PD (tính theo atm) và P0 (hệ) = atm thì hằng số cân bằng KP được tính theo công thức sau: - Công thức: K P Pi PCc PDd vì P0 = atm) a b (trong công thức này để đơn giản ta đã bỏ qua tỉ số P0 PA PB � G : Thếđẳ ngá p(J.mol -1) � R 8,314J.K 1.mol1 - Thế đẳng áp: G T RT ln K P đó � � T (t C 273)K � - Nếu G0 < phản ứng tự xảy theo chiều thuận, G0 > phản ứng xảy theo chiều nghịch, G0 = phản ứng đạt cân bằng - Giữa G0 và H0 có mối quan hệ: G0 = H0 – T.S0 với S0 là độ biến thiên entropi của hệ - Trong khoảng nhiệt độ hẹp, nếu coi H0 là hằng số đối với nhiệt độ thì: ln K P (T2 ) H �1 � � � K P (T1 ) R �T1 T2 � Hằng số cân bằng KC �� � cC + dD ở trạng thái � - Xét phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng gồm các khí lý tưởng: aA + bB �� C D cân bằng ta có: K C a b A B c d với A ; B ; C ; D là nồng độ của A, B, C, D tại thời điểm cân bằng - Giữa KP và KC có mối quan hệ: K P K C (RT) n với n = (c + d) – (a + b) và R = 0,082 L.atm.K-1.mol-1 Hằng số cân bằng Kn và K - Tương tự ta có: K n n cC n dD cC dD K và với ni là số mol khí i ở trạng thái cân bằng, i là phần n aA n bB aA bB mol của cấu tử i ở trạng thái cân bằng P n ) K (P) n - Mối quan hệ: K P K n ( �n - Các hằng số cân bằng KP, KC, Kn, K chỉ phụ thuộc nhiệt độ B CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG �� � 2CO có K = 1,41 ở 7270C � Ví dụ Cho cân bằng: C(gr) + CO2 (k) �� (k) P Cho mol CO2 và một lượng dư cacbon vào một bình chân không kín ở 7270C a) Tính phần trăm CO2 đã phản ứng phản ứng đạt cân bằng biết áp suất lúc cân bằng là 1,0 atm b) Tính các hằng số KC, Kn, K ở cùng nhiệt độ Lời giải: �� � 2CO � a) Phương trình: C(gr) + CO2 (k) �� (k) Ban đầu: Phản ứng: 2 Cân bằng: 1- 2 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO Ta có: �n cb 1 2 1 ; PCO2 1 2 P0 ; PCO P0 1 1 �2 � � P2 � 4 1, 41 � = 0,51 (mol) hay có 51% CO2 đã phản ứng Do P0 = 1atm nên K P CO � �� � PCO2 � 1 � � 1 � 2 b) K n 2 1 2.0,51 0,51 2,123 Hoặc tính theo công thức: K n K P (1 ) 1, 41.(1 0,51) 2,129 P0 K C K P (RT) n 1, 41(0,082.1000) 1 1, 7.102 ; K K P (P0 ) n 1, 41.(1,0)1 1, 41 Ví dụ Cho khí H2 vào bình chân không dung tích 4,0 lít cho áp suất bình bằng 0,82 atm ở 527 0C Sau đó �� � 2HI Ở 5270C hằng số cân bằng � cho thêm 0,2 mol khí HI vào bình Cân bằng sau được thiết lập: H (k) + I2 (k) �� (k) K = 37,2 Tính: a) Áp suất của hệ lúc cân bằng b) Độ phân li của HI thành H2 và I2 c) Áp suất riêng phần của từng khí lúc cân bằng Lời giải: a) Vì n = nên áp suất trước và sau phản ứng không đổi Ta có 0, 2.0, 082.(273 527) 4,1(atm) 4, 0,82.4, 0, 05(mol) 0, 082.(527 273) P 0,82 b) n H2 �� � H �� � (k) Phương trình: 2HI (k) Ban đầu: Phản ứng: Cân bằng: 0,2 0,2 0,2 – 0,2 �n + 0,05 0,1 0,05+0,1 I2 (k) Hằng số cân bằng K ' K 0,1 0,1 0, 0, 2 0, 2 0,05 0, 25(mol) mà n nên KP = Kn = K’ (0, 05 0,1).0,1 � � �0,13 hay 13% (0, 0, 2) 37, 0, 05 0,1 � PH2 4,1 1, 0332(atm) � 0, 25 � ni 0,1 � P0 � � PI2 4,1 0, 2132(atm) c) Pi 0, 25 �n � � 0, 0, 2 PHI 4,1 2,8536(atm) � 0, 25 � cb Ví dụ Người ta đun nóng một lượng PCl một bình kín dung tích 12 lít ở 250 0C Phương trình xảy �� � PCl + Cl Lúc cân bằng có 0,21 mol PCl , 0,32 mol PCl , 0,32 mol Cl Tính hằng số cân � sau: PCl5 (k) �� (k) (k) bằng KC, KP và G0 của phản ứng Lời giải: �� � PCl � Phương trình: PCl5 (k) �� (k) + Nồng độ tại thời điểm cân bằng: 0, 21 V 0,32 V Cl2 (k) 0,32 V 0,32 0,322 � KC 0, 0406; K P K C (RT) n 0,0406.0, 082.(250 273) 1,7412 0, 21.V 12.0, 21 G0 = -RTlnKP = -8,314.(250 + 273).ln1,7412 = -2411,413 (J.mol-1) �� � 2CO + O � Ví dụ CO2 phân li ở nhiệt độ cao theo phản ứng: 2CO2 (k) �� (k) (k) a) Tính độ phân li α của CO ở nhiệt độ 2227 C biết rằng ở nhiệt độ này phản ứng ở trạng thái cân bằng 1,0 lít hỗn hợp nặng 0,20 gam THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 10 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO H = [(14 x 412,6) + (5 x 331,5)] – [(6 x 486,6) + (6 x 420,9) + (3 x 430,5)] = 697,4 kJ Nhận xét: H > (phản ứng thu nhiệt) hoàn toàn phù hợp với thực tiễn, để chuyển hóa n-hexan (bền) sang benzen (kém bền hơn) ta cần phải cung cấp lượng Ví dụ Cho các số liệu nhiệt động của một số phản ứng sau ở 298K STT phản ứng (1) (2) Phản ứng 2NH3 + 3N2O � 4N2 + 3H2O N2O + 3H2 � N2H4 + H2O (3) 2NH3 + H 0298 (kJ) -1011 -317 � O2 N2H4 + H2O -143 � O2 H2O 0 Cho: S298 (N2H4) = 240 J/K.mol; S298 (H2O) = 66,6 J/K.mol S0298 (N2) = 191 J/K.mol; S0298 (O2) = 205 J/K.mol a) Tính nhiệt tạo thành H 298 của N2H4; N2O và NH3 (4) H2 + -286 b) Viết phương trình phản ứng cháy của hiđrazin và tính H 298 ; G 298 và hằng số cân bằng của phản ứng này Lời giải: a) Yêu cầu của đề bài chính là tìm nhiệt tạo thành của các phản ứng sau: STT phản ứng H 0298 (kJ) Phản ứng (5) N2 + 2H2 � N2H4 (6) N2 + H 0298 (5) = ? � O2 N2O N2 + H2 � NH3 2 (7) H 0298 (6) = ? H 0298 (7) = ? Nhận xét: Tổ hợp các phản ứng từ đề bài ta có: 0 0 H 298 (5) = - H 298 (1) + H 298 (2) + H 298 (3) - H 298 (4) � H 0298 (5)= H 0298 (6) 1011 3.317 143 286 50,75 (kJ/mol) 0 = - H 298 (2) + H 298 (4) + H 298 (5) � H 0298 (5)= 317 – 286 + 50,75 = 81,75 (kJ/mol) H 298 (7) � H 0298 (7)= = - H 298 (3) + H 298 (4) + H 298 (5) 0 143 286 143 46,125 (kJ/mol) b) Phản ứng cháy của hiđrazin: N2H4 + O2 � N2 + 2H2O Sử dụng hệ quả của định luật Hess ta có: H 0298 = x (-286) – 50,75 = -622,75 (kJ/mol) S0298 = 191 + x 66,6 – (205 + 240) = -120,8 (J/K.mol) G 0298 = H 0298 - T S0298 = -622,75 – (-120,8.10-3 x 298) = -586,7516 (kJ/mol) THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 24 TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO Vì G 298 = -RTlnKP � lnKP = G 298 586,7516.10 236,825 RT 8,314 x 298 � K = 10102,83 Ví dụ 10 Cho các phương trình nhiệt hóa học sau đây: (1) 2ClO2 (k) + O3 (k) � Cl2O7 (k) H 10 = -75,7 kJ (2) O3 (k) � O2 (k) + O (k) H 02 = 106,7 kJ (3) 2ClO3 (k) + O (k) � Cl2O7 (k) H = -278 kJ (4) O2 (k) � 2O (k) H = 498,3 kJ Hãy xác định nhiệt của phản ứng sau: (5) ClO2 (k) + O (k) � ClO3 (k) Lời giải: Ta kết hợp cho phương trình (1) và (3) 1 O3 (k) � Cl2O7 (k) 2 1 (3’) Cl2O7 (k) � ClO3 (k) + O (k) 2 (1’) ClO2 (k) + H = ? H10 = -37,85 kJ H 30 ' H = = 139 kJ H 1' = Cộng (1’) và (3’) ta được: (6) ClO2 (k) + 1 ' O3 (k) � ClO3 (k) + O (k) H = H 1' + H = 101,15 kJ 2 Từ (2): (2’) 1 O2 (k) + O (k) � O3 (k) 2 H '2 = H 02 = 53,35 kJ Kết hợp (2’) và (6) ta được: (7) ClO2 (k) + O2 (k) � ClO3 (k) Từ (4): (4’) O (k) � O2 (k) H = H + H '2 = 47,8 kJ H '4 = H 04 = -249,15 kJ Lấy (4’) cộng với (7) ta được phương trình (5): (5) ClO2 (k) + O (k) � ClO3 (k) H = 47,8 - 249,15 = -201,35 kJ Ví dụ 11 Tính nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của FeCl2 (r) biết: (1) Fe (r) + 2HCl (dd) � FeCl2 (dd) + H2 (k) H1 = -21,00 kcal (2) FeCl2 (r) + aq � FeCl2 (dd) H2 = -19,50 kcal � (3) HCl (k) + aq HCl (dd) H3 = -17,50 kcal � (4) H2 (k) + Cl2 (k) 2HCl (k) H4 = -44,48 kcal (Kí hiệu aq chỉ lượng nước đủ lớn) Lời giải: Ta cần tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau: (5) Fe (r) + Cl2 (k) � FeCl2 (r) H = ? Từ đề bài ta giữ nguyên phương trình (1), (3), (4) và viết lại phương trình (2): (2’) FeCl2 (dd) � FeCl2 (r) + aq H’2 = -H2 = 19,50 kcal Tổ hợp các phương trình đã có ta được: (5) = (1) + (2’) + x (3) + (4) � H = H1 + H’2 + 2H3 + H4 = -21,00 + 19,50 - x 17,50 - 44,48 = -80,98 kcal Ví dụ 12 Cho các dữ kiện sau: THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 25 TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO (1) C2H4 (k) + H2 (k) � C2H6 (k) H1 = -136,951 kJ/mol (2) C2H6 (k) + H2 = -1559,837 kJ/mol O2 (k) � 2CO2 (k) + 3H2O (l) (3) C (r) + O2 (k) � CO2 (k) (4) H2 (k) + O2 (k) � H2O (l) H3 = -393,514 kJ/mol H4 = -285,838 kJ/mol Hãy xác định: a) Nhiệt tạo thành của etilen b) Nhiệt đốt cháy của etilen Lời giải: a) Ta cần tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng sau: (5) 2C (r) + 2H2 (k) � C2H4 (k) H = ? Giữ nguyên phản ứng (3), (4) và viết lại phản ứng (1), (2) ta có: (1’) C2H6 (k) � C2H4 (k) + H2 (k) H’1 = +136,951 kJ/mol (2’) 2CO2 (k) + 3H2O (l) � C2H6 (k) + O2 (k) H’2 = +1559,837 kJ/mol Phương trình (5) = x (3) + x (4) + (1’) + (2’) � H = 2H3 + 3H4 + H’1 + H’2 = x (-393,514) – x 285,838 + 136,951 + 1559,837 = 52,246 kJ/mol b) Phương trình đốt cháy C2H4: (6) C2H4 (k) + 3O2 � 2CO2 (k) + 2H2O (l) H’ = ? Giữ nguyên phản ứng (1), (2) và viết lại phản ứng (4) ta có: (4’) H2O (l) � H2 (k) + O2 (k) H’4 = +285,838 kJ/mol Phương trình (6) = (1) + (2) + (4’) � H = H1 + H2 + H’4 = -136,951 – 1559,837 + 285,838 = -1410,95 kJ/mol IV BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài Tính nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của CH4 (k) (H 298,f CH4) biết rằng entanpi nguyên tử hóa C (gr) là H a = 718,4 kJ/mol; lượng phân li liên kết H-H H2 và C-H CH4 lần lượt là 436,0 và 410,0 kJ/mol Đáp số: -49,6 kJ/mol Bài Cho phản ứng: 4HCl (k) + O2 (k) � 2H2O (l) + 2Cl2 (k) a) Tính entanpi chuẩn của phản ứng ở 25 0C biết rằng entanpi chuẩn tạo thành của HCl (k) và H 2O (l) ở 250C lần lượt là -92,3 và -285,8 kJ/mol b) Nếu nước tạo thành ở thể khí thì H 298 của phản ứng là bao nhiêu? Biết rằng H bay của H2O (l) ở 250C là 44,0 kJ/mol Đáp số: a) -202,4 kJ; b) -114,4 kJ Bài Ở 250C và áp suất 1,0 atm entanpi tạo thành axetonitryl (CH 3CN) khí là 88,0 kJ/mol Tính lượng tạo thành liên kết C≡N phân tử CH3CN dựa vào các số liệu sau: + Năng lượng tạo thành các liên kết (kJ/mol): C-H: -413; C-C: -348 + Entanpi chuẩn nguyên tử hóa ở 250C của C (gr) là 718,4 kJ/mol + Entanpi chuẩn tạo thành ở 250C (kJ/mol): H (k): 218; N (k): 473,0 Đáp số: -889,0 kJ/mol Bài Tính H 298,f của các anion halogenua X- (k) dựa vào các số liệu: + H 298,f của Br2 (k) và I2 (k) lần lượt là 31,0 và 62,0 kJ/mol + Năng lượng phân li liên kết D (kJ/mol) của các phân tử X (k) và lượng gắn kết electron Ae (kJ/mol) của các nguyên tử X ở 298K và 1,0 atm sau THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 26 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO DX-X Ae Đáp số: Flo Clo 155,0 240,0 -328,0 -349,0 H 298,f (F , k) = -250,5 kJ/mol Brom 190,0 -325,0 Iot 149,0 -295,0 H 298,f (Cl-, k) = -229,0 kJ/mol H 298,f (Br-, k) = -214,5 kJ/mol H 298,f (I-, k) = -189,5 kJ/mol Bài Cho biết lượng liên kết H-H, O-O, O=O, H-O lần lượt là 436; 142; 499 và 460 (kJ/mol) Viết phương trình và tình hiệu ứng nhiệt của phản ứng giữa khí hiđro và khí oxi tạo hiđropeoxit Đáp số: -127 kJ/mol Bài Tính lượng mạng tinh thể ion của muối BaCl2 từ các dữ kiện: + Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của BaCl2 tinh thể: -205,6 kcal/mol + Năng lượng liên kết Cl2: +57 kcal/mol + Nhiệt thăng hóa Ba: +46 kcal/mol + Năng lượng ion hóa thứ nhất của Ba: +119,8 kcal/mol + Năng lượng ion hóa thứ hai của Ba: +230,0 kcal/mol Đáp số: -484,4 kcal/mol Bài Tính nhiệt hình thành tiêu chuẩn (nhiệt sinh chuẩn) của khí CO từ các dữ kiện thực nghiệm sau: C (r) + O2 (k) � CO2 (k) H 298 = -94,05 kcal 2CO (k) + O2 (k) � 2CO2 (k) H 298 = -135,28 kcal Kết quả này có phù hợp với công thức cấu tạo của CO là C=O không? Giải thích Biết rằng nhiệt thăng hoa của C (gr) là 170 kcal/mol; lượng liên kết O=O O là 118 kcal/mol; lượng liên kết C=O CO2 là 168 kcal/mol Đáp số: -26,41 kcal/mol (thực nghiệm) +61 kcal/mol (Theo lượng liên kết) Không phù hợp (vì có sự sai khác rất lớn giữa thực tế và lý thuyết cấu tạo) Bài Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của CH4 (k) và C2H6 (k) lần lượt là -17,89 và -20,24 kcal/mol Tính nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của C4H10 (k) Cho biết nhiệt thăng hoa của than chì và lượng liên kết E H-H lần lượt là 170 kcal/mol và 103,26 kcal/mol Đáp số: -24,96 kcal/mol THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 27 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO CHUYÊN ĐỀ 4: NGUYÊN LÝ CỦA NHIỆT ĐỢNG LỰC HỌC TRONG HĨA HỌC CHIỀU VÀ GIỚI HẠN TỰ DIỄN BIẾN CỦA CÁC QUÁ TRÌNH A TĨM TẮT LÝ THÚT CƠ BẢN I Nơi dung bản của nguyên lí 1) Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng 2) Công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt, trái lại nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công 3) Không thể có quá trình đó nhiệt lấy từ một vật được chuyển thành công mà không có sự bổ chính (Không thể có động vĩnh cửu loại hai) II Biêu thức toán học của nguyên lí Entropi của hệ Entropi (kí hiệu là S) là một hàm trạng thái của hệ, đặc trưng cho mức độ hỗn độn của các tiểu phân hệ S � dS S2 S1 hoặc tính theo phương trình Boltzmann: S k B ln W (kB là hằng số Boltzmann, k B 1,38066.1023 J.K 1 ) Biến thiên entropi của môt số quá trình thuận nghịch Năng lượng tự Gibbs 1) S (phản ứng) = �S(sp) �S(p�) 2) G = H - TS (G là lượng tự Gibbs hay còn gọi là biến thiên thế đẳng áp) Ý nghĩa của đại lượng biến thiên thế đẳng áp G < Phản ứng tự xảy theo chiều thuận Phản ứng đạt cân bằng G = G > Phản ứng xảy theo chiều nghịch 0 3) G 298 (phản ứng) = �G 298(sp) �G 298(p�) B BÀI TẬP VẬN DỤNG �� � CO + 2NH với các giá trị nhiệt động sau � Ví dụ Xét phản ứng: NH4COONH2 (tt) �� (k) NH4COONH2 (tt) CO2 (k) NH3 1 H 300,tt (kJ.mol ) -645,2 -393,5 -46,2 G 300 (kJ.mol 1 ) -458,0 -394,4 -16,6 a) Hỏi ở điều kiện chuẩn và ở 27 C thì phản ứng theo chiều nào? b) Tính S298 của phản ứng c) Nếu coi H và S0 của phản ứng không biến đổi theo nhiệt độ thì ở nhiệt độ nào phản ứng ở điều kiện chuẩn đổi chiều? Lời giải: a) Áp dụng công thức: 0 G 300 (phản ứng) = �G 300(sp) �G 300(p�) = -394,4 + 2.(-16,6) – (-458,0) = 30,4 kJ � chiều nghịch 0 b) H 300 (phản ứng) = �H 300(sp) �H300(p�) = -393,5 + 2.(-46,2) – (-645,2) = 159,3 kJ H G 159,3 30, Từ công thức G0 H0 -TS0 � S0 0, 430(kJ.K 1 ) T 300 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 28 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO 0 0 c) Để phản ứng xảy theo chiều thuận thì G H -TS � TS H � T 159,3 370K 0, 430 �� � 2NO với các giá trị nhiệt động sau � Ví dụ Xét phản ứng: N2O4 (k) �� (k) N2O4 (k) NO2 (k) 1 H 298,tt (kJ.mol ) 9,665 33,849 S0298 (J.mol1 ) 304,3 240,4 Giả thiết rằng H và S0 của phản ứng không biến đổi theo nhiệt độ thì ở nhiệt độ 0C và 1000C phản ứng xảy theo chiều nào? Lời giải: 0 H 0298 (phản ứng) = �H 298(sp) �H 298(p�) S 298 (phản ứng) = 2.33,849 – 9,665 = 58,033 kJ 0 = �S298(sp) �S298(p�) = 2.240,4 – 304,3 = 176,5 (J.K 1 ) 0 Ở 00C: G273 H -TS 58033 273.176,5 9848,5(J) � chiều nghịch 0 Ở 1000C: G373 H -TS 58033 373.176,5 7801,5(J) � chiều thuận THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 29 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO CHUYÊN ĐỀ 4: CÂN BẰNG HÓA HỌC A LÝ THUYẾT CƠ BẢN I Khái niệm cân bằng hóa học và sự chuyên dịch cân bằng hóa học Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch đạt đến tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch Cân bằng hóa học là một cân bằng động Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác tác động của các yếu tố bên ngoài lên cân bằng II Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyên dịch cân bằng Nguyên lý chuyên dịch cân bằng Le Chatelier Một phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng chịu một tác động từ bên ngoài biến đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó III Hằng số cân bằng Hằng số cân bằng KP �� � cC + dD Ở nhiệt độ và áp suất � - Xét phản ứng thuận nghịch gồm các khí lý tưởng: aA + bB �� không đổi, tại thời điểm cân bằng nếu áp suất riêng phần của A, B, C, D lần lượt là P A, PB, PC, PD (tính theo atm) và P0 (hệ) = atm thì hằng số cân bằng KP được tính theo công thức sau: Pi PCc PDd K - Công thức: P vì P0 = atm) a b (trong công thức này để đơn giản ta đã bỏ qua tỉ số P0 PA PB � G : Thếđẳ ngá p(J.mol -1) � R 8,314J.K 1.mol1 - Thế đẳng áp: G T RT ln K P đó � � T (t C 273)K � - Nếu G0 < phản ứng tự xảy theo chiều thuận, G0 > phản ứng xảy theo chiều nghịch, G0 = phản ứng đạt cân bằng - Giữa G0 và H0 có mối quan hệ: G0 = H0 – T.S0 với S0 là độ biến thiên entropi của hệ - Trong khoảng nhiệt độ hẹp, nếu coi H là hằng số đối với nhiệt độ thì: ln K P (T2 ) H �1 � � � K P (T1 ) R �T1 T2 � Hằng số cân bằng KC �� � cC + dD ở � - Xét phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng gồm các khí lý tưởng: aA + bB �� C D KC a b A B c trạng thái cân bằng ta có: d với A ; B ; C ; D là nồng độ của A, B, C, D tại thời điểm cân bằng - Giữa KP và KC có mối quan hệ: K P K C (RT) n với n = (c + d) – (a + b) và R = 0,082 L.atm.K -1.mol1 Hằng số cân bằng Kn và K - Tương tự ta có: K n n cC n dD cC dD K và với ni là số mol khí i ở trạng thái cân bằng, i là n aA n bB aA bB phần mol của cấu tử i ở trạng thái cân bằng - Mối quan hệ: K P K n ( P �n ) n K (P) n - Các hằng số cân bằng KP, KC, Kn, K chỉ phụ thuộc nhiệt độ B CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 30 TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO �� � 2CO có K = 1,41 ở 7270C � Ví dụ Cho cân bằng: C(gr) + CO2 (k) �� (k) P Cho mol CO2 và một lượng dư cacbon vào một bình chân không kín ở 7270C a) Tính phần trăm CO2 đã phản ứng phản ứng đạt cân bằng biết áp suất lúc cân bằng là 1,0 atm b) Tính các hằng số KC, Kn, K ở cùng nhiệt độ Lời giải: �� � 2CO � a) Phương trình: C(gr) + CO2 (k) �� (k) Ban đầu: Phản ứng: 2 Cân bằng: 1- 2 1 2 P0 ; PCO P0 Ta có: �n cb 1 2 1 ; PCO2 1 1 �2 � � P2 � 4 1, 41 � = 0,51 (mol) hay có 51% CO2 đã phản Do P0 = 1atm nên K P CO � �� � PCO2 � 1 � � 1 � 2 ứng 2 K P (1 ) 1, 41.(1 0,51) 2 2.0,51 2,129 b) K n 2,123 Hoặc tính theo công thức: K n P0 1 0,51 K C K P (RT) n 1, 41(0, 082.1000) 1 1, 7.102 ; K K P (P0 ) n 1, 41.(1, 0)1 1, 41 Ví dụ Cho khí H2 vào bình chân không dung tích 4,0 lít cho áp suất bình bằng 0,82 atm ở �� � 2HI Ở � 5270C Sau đó cho thêm 0,2 mol khí HI vào bình Cân bằng sau được thiết lập: H (k) + I2 (k) �� (k) 527 C hằng số cân bằng K = 37,2 Tính: a) Áp suất của hệ lúc cân bằng b) Độ phân li của HI thành H2 và I2 c) Áp suất riêng phần của từng khí lúc cân bằng Lời giải: a) Vì n = nên áp suất trước và sau phản ứng không đổi Ta có 0, 2.0, 082.(273 527) P 0,82 4,1(atm) 4, 0,82.4, 0, 05(mol) b) n H2 0, 082.(527 273) �� � H � Phương trình: 2HI (k) �� + I2 (k) Hằng số cân bằng K ' (k) K Ban đầu: 0,2 0,05 Phản ứng: 0,2 0,1 0,1 Cân bằng: 0,2 – 0,2 0,05+0,1 0,1 �n cb 0, 0, 2 0, 2 0,05 0, 25(mol) mà n nên KP = Kn = K’ (0, 05 0,1).0,1 � � �0,13 hay 13% (0, 0, 2) 37, 0, 05 0,1 � PH2 4,1 1, 0332(atm) � 0, 25 � ni 0,1 � P0 � � PI2 4,1 0, 2132(atm) c) Pi 0, 25 �n � � 0, 0, 2 PHI 4,1 2,8536(atm) � 0, 25 � THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 31 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO Ví dụ Người ta đun nóng một lượng PCl5 một bình kín dung tích 12 lít ở 250 0C Phương trình xảy �� � PCl + Cl Lúc cân bằng có 0,21 mol PCl , 0,32 mol PCl , 0,32 mol Cl Tính � sau: PCl5 (k) �� (k) (k) hằng số cân bằng KC, KP và G của phản ứng Lời giải: �� � PCl + � Phương trình: PCl5 (k) �� Cl2 (k) (k) 0, 21 0,32 0,32 Nồng độ tại thời điểm cân bằng: V V V 2 0,32 0,32 � KC 0, 0406; K P K C (RT) n 0,0406.0, 082.(250 273) 1,7412 0, 21.V 12.0, 21 G = -RTlnKP = -8,314.(250 + 273).ln1,7412 = -2411,413 (J.mol-1) �� � 2CO + O � Ví dụ CO2 phân li ở nhiệt độ cao theo phản ứng: 2CO2 (k) �� (k) (k) a) Tính độ phân li α của CO ở nhiệt độ 2227 C biết rằng ở nhiệt độ này phản ứng ở trạng thái cân bằng 1,0 lít hỗn hợp nặng 0,20 gam b) Tính hằng số cân bằng KP biết áp suất lúc cân bằng là 1,0 atm Lời giải: a) Giả sử ban đầu có mol CO2 �� � 2CO �� � 2CO2 (k) O2 (k) (k) + Cân bằng: 1–α α � � 1 � 0, 082.2500 � �n (mol) nRT � 2� � �V 205 102,5 P Vì khối lượng được bảo toàn nên: M CO2 (205 102,5).0, � 0,146 � � � � �� �� P � � 2, 0.10 3 (P = 1,0 atm; α = 0,146) b) K P � � �1 � � 2� �� � PCl � Ví dụ PCl5 phân hủy theo phương trình: PCl5 (k) �� (k) + Cl2 (k) a) Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng ở 200 C biết rằng độ phân li α của PCl5 ở nhiệt độ này là 0,485 và áp suất lúc cân bằng là 1,0 atm b) Tính áp suất của hệ lúc cân bằng nếu cho 2,085 gam PCl5 vào bình chân không dung tích 0,2 lít ở 200 C Lời giải: �� � PCl � a) PCl5 (k) �� + Cl2 (k) (k) Cân bằng: 1–α α α 2 �P � (0, 485) � �n � K P 0,307 � � 1 � � (0, 485) 2, 085 0, 01 0, 01(mol) � PCl5 0, 05(M) b) n PCl5 208,5 0, K C K P (RT) n 0,307.(0,082.473) 1 7,9.10 3 �� � PCl �� � Phương trình: PCl + Cl (k) Cân bằng: 0,05 – x (k) x (k) x x � x 1, 6.102 (M) � �n (0, 05 x).0, 0, 0132(mol) 0, 05 x nRT 0, 0132.0, 082.473 2,56(atm) Áp uất của hệ lúc cân bằng: PV nRT � P V 0, 3 Ta có: 7,9.10 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 32 TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO �� � 2NO � Ví dụ Có cân bằng: N2O4 (k) �� 2(k) a) Cho 18,4 gam N2O4 vào bình chân không dung tích 5,904 lít ở 270C Lúc cân bằng áp suất bình là atm Tính áp suất riêng phần mỗi khí lúc cân bằng b) Nếu áp suất lúc cân bằng chỉ là 0,5 atm thì áp suất của NO và N2O4 là bao nhiêu? So sánh kết quả với câu a để xem có phù hợp với nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ-Sac-tơ-li-ê không? Giải thích Lời giải: 18, 0, 2(mol) a) n N2O5 92 �� � � Phương trình: N2O4 (k) �� 2NO2(k) Cân bằng: 0,2 – x 2x 1, 0.5,904 �n 0, x 0, 082.300 0, 24 � x 0, 04(mol) � PN2O4 (atm) n 0, x 0,16(mol) � � �N O � � Lúc cân bằng � �� n NO2 2x 0, 08(mol) � � PNO2 (atm) � PNO2 b) Ta tính được: K P PN2O4 Gọi áp suất riêng phần của NO lúc cân bằng là P thì áp suất riêng phần của N 2O4 là 0,5 – P Vì K P là hằng số (do nhiệt độ không đổi) nên ta có PNO2 P2 0, 22 � P 0, 22(atm) � 0, 79 0,50 0,5 P PN2O4 0,5 0, 22 Vậy giảm áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (phù hợp với nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier n ) �� � � Ví dụ Phản ứng sau thực hiện ở nhiệt độ và áp suất không đổi, xuất phát từ N 2O4: N2O4 (k) �� 2NO2(k) a) Thiết lập biểu thức liên hệ giữa độ phân li của N2O4 và tỉ khối D của hỗn hợp khí lúc cân bằng so với không khí b) Thiết lập biểu thức KP = f(, P) với P là áp suất tổng của hệ phản ứng cân bằng c) Ở nhiệt độ 333K, D = 2,08 hãy tính , KP và G0 của phản ứng ở 333K biết rằng áp suất P của hệ lúc cân bằng là atm Lời giải: �� � � a) Phương trình: N2O4 (k) �� 2NO2(k) Cân bằng: 1–α 2α (1 ).M N2O4 2.M NO 92 � �n � D 29.(1 ) 29.(1 ) 4 � P � 4 P b) K P � � 1 � � 2 c) Thay các dữ kiện vào ta có 92 4.(0,53) 2,08 � 0,53 � K P 1, 1,6 29.(1 ) (0,53) G RT ln K P 8,314.333.ln1,6 1,3.103 J Ví dụ Ở 1020K, hai cân bằng sau cùng tồn tại một bình kín �� � 2CO ; K = 4,00 � C (gr) + CO2 (k) �� (k) P THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 33 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO �� � FeO + CO K’ = 1,25 � Fe (tt) + CO2 (k) �� (tt) (k) P a) Tính áp suất riêng phần các khí lúc cân bằng b) Cho 1,00 mol Fe; 1,00 mol cacbon graphit; 1,20 mol CO vào bình chân không dung tích 20,0 lít ở 1020K Tính số mol các chất lúc cân bằng Lời giải: PCO �� � K 4, 00 P �� � PCO2 a) C (gr) + CO2 (k) 2CO (k) PCO ' K 1, 25 �� � P �� � PCO2 Fe (tt) + CO2 (k) FeO (tt) + CO (k) K 4, 00 3, 20 � 'P PCO 3, 2(atm) � PCO2 2,56(atm) KP 1, 25 1, 25 �� � �� � b) C + CO 2CO (gr) Cân bằng: 1,00 – x Fe (tt) + 1,00 – y (k) 1,20 – x – y �� � � CO2 (k) �� 1,20 – x – y (k) 2x + y FeO (tt) y + CO (k) Cân bằng: 2x + y (3, 20 2,56).20 1,38 � x 0,18(mol) Tổng số mol khí lúc cân bằng: 1,20 + x (mol) � 1, 20 x 0, 082.1020 2,56.20 � n CO2 0, 61(mol) � 0, 082.1020 � 3, 20.20 � n CO 0, 77(mol) �� 0, 082.1020 � n CO 2x y � y 0, 77 2.0,18 0, 41(mol) � � n C 1, 00 0,18 0,82(mol); n Fe 1, 00 0, 41 0,59(mol) � C BÀI TẬP ÁP DỤNG Câu 1: Trong một bình phản ứng thể tích 10 lít, cho 0,5 mol H và 0,5 mol I2 phản ứng với ở nhiệt độ �� � 2HI Biết hằng số cân bằng của phản ứng K = 50, tính: � 4480C theo phương trình: H2 (k) + I2 (k) �� (k) C a) Hằng số cân bằng KP b) Áp suất bình c) Số mol iot còn lại không phản ứng lúc cân bằng d) Áp suất riêng phần của mỗi chất lúc cân bằng Câu 2: Ở 8170C hằng số cân bằng K P của phản ứng giữa CO và C(r) nóng đỏ dư để tạo thành CO bằng 10 Xác định a) Phần mol của các khí hỗn hợp lúc cân bằng áp suất chung bằng atm b) Áp suất riêng của CO2 lúc cân bằng c) Áp suất chung của hỗn hợp cho lúc cân bằng CO2 chiếm 6% về thể tích �� � C + 2H có H0 = 74,9 kJ.mol-1 và hằng số K = 0,41 ở 5000C � Câu 3: Cho phản ứng: CH4 (k) �� (r) (k) P a) Tính KP ở 850 C b) Tính độ phân hủy của CH4 và áp suất hỗn hợp khí một bình thể tích 50 lít chứa mol CH và được giữ ở 8500C cho đến hệ đạt trạng thái cân bằng �� � 2SO � Câu 4: Cho phản ứng: 2SO2 (k) + O2 (k) �� (k) Biết ở 700K dưới áp suất P = 1atm thành phần của hệ lúc cân bằng là SO 0,21 mol; SO3 10,3 mol; O2 5,37 mol và N2 84,12 mol Xác định: a) Hằng số cân bằng KP b) Thành phần của hỗn hợp ban đầu c) Độ chuyển hóa của SO2 THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 34 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO d) Đợ chủn hóa của SO2 sẽ là nếu dùng O2 tinh khiết (không có N2)? Cho rằng ban đầu số mol của SO2 và O2 vẫn số mol đã tính ở câu b, áp suất chung của hệ bằng atm �� � 2NO ở pha khí Trong một bình chân không thể tích 0,5 lít được � Câu 5: Cho cân bằng: N2O4 �� -3 trì ở 45 C có 3.10 mol N2O4 nguyên chất Khi cân bằng được thiết lập áp suất bình là 0,255 atm a) Xác định độ phân hủy của N2O4 ở nhiệt độ này và hằng số cân bằng KP b) Biết biến thiên entanpi của phản ứng phân hủy N 2O4 là 72,8 kJ.mol-1 Tính KP ở 210C và biến thiên entropi của phản ứng �� � CO � Câu 6: Ở 8250C hằng số cân bằng của phản ứng: CO (k) + H2O (h) �� (k) + H2 (k) bằng Nếu xuất phát từ một hỗn hợp đồng phân tử của CO và H 2O ở 825 C và ở áp suất atm thì lúc cân bằng độ chuyển hóa của CO là bao nhiêu? Nếu độ chuyển hóa của CO là 99% thì phải dùng mol nước cho mol CO? �� � 2HI Khi hỗn hợp gồm 46 gam I và � Câu 7: Khí HI được tạo thành theo phản ứng: H (k) + I2 (k) �� (k) 1,00 gam H2 được đốt nóng và đạt cân bằng ở 470 C thì hỗn hợp cân bằng có chứa 1,9 gam I2 a) Xác định số mol mỗi khí tại thời điểm cân bằng b) Xác định hằng số cân bằng của phản ứng Câu 8: Hỗn hợp gồm mol H2 và mol I2 được đốt nóng bình kín có thể tích 30 lít ở nhiệt độ 470 0C Biết KC của phản ứng bằng 50, hãy xác định: a) Số mol I2 còn lại cân bằng được thiết lập b) Áp suất tổng bình phản ứng c) Áp suất riêng phần của I2 và HI hỗn hợp cân bằng d) Nếu đưa tiếp vào hỗn hợp cân bằng mol H2, hãy tính số mol I2 còn lại chưa phản ứng Câu 9: Trộn 0,292 mol H2, 0,292 mol I2 và 3,96 mol HI vào một bình dung tích lít ở 430 0C xảy phản ứng sau: �� � 2HI K = 54,3 ở 4300C � H2 (k) + I2 (k) �� (k) C a) Xác định chiều của phản ứng b) Tính nồng độ từng khí lúc hệ đạt cân bằng �� � 2H O + 2Cl � Câu 10: Cho biết cân bằng sau: 4HCl (k) + O2 (k) �� (h) (k) Tính hằng số cân bằng K P, KC của phản ứng ở nhiệt độ 298K dựa vào các số liệu dưới ở 298K Chất HCl (k) O2 (k) H2O (h) Cl2 (k) -1 -92,3 -241,8 H (kJ.mol ) -1 -1 S (J.K mol ) 187 205,0 188,7 223,0 �� � -1 � 2NO2; H = 74,9 kJ.mol Câu 11: Có hệ cân bằng sau: N2O4 �� a) Tính KP của phản ứng ở nhiệt độ 300K, biết K P ở nhiệt độ 320K là 0,674 và H0 là hằng số khoảng nhiệt độ nghiên cứu b) Xác định S0 của phản ứng, coi S0 là hằng số khoảng 300K đến 320K �� � 2NO � Câu 12: Cân bằng sau được thiết lập ở 270C và xuất phát từ N2O4: N2O4 (k) �� 2(k) a) Tính hằng số cân bằng KP ở 27 C biết rằng ở nhiệt độ này có 20% N 2O4 phân li thành NO2 và áp suất của hệ cân bằng là atm b) Nếu áp suất lúc cân bằng là 0,1 atm thì độ phân li của N2O4 là bao nhiêu? So sánh kết quả với câu a xem có phù hợp với nguyên lí cân bằng Lơ-Sac-tơ-li-ê không? Giải thích c) Cho 0,75 mol N2O4 vào bình chân không dung tích 20 lít ở 270C Tính độ phân li ’ của N2O4 �� � H + Cl , hằng số cân bằng K của phản ứng ở nhiệt độ 17270C � Câu 13: Cho cân bằng: 2HCl (k) �� (k) (k) P -6 -11 và 727 C lần lượt là 4,237.10 và 4,9.10 a) Tính H0 của phản ứng, coi H0 là hằng số khoảng nhiệt độ xét �� � 2HCl + I biết cân bằng: 2HI �� �� � � � b) Tính KP của phản ứng sau ở 727 0C: 2HI (k) + Cl2 (k) �� (h) (k) (k) H2(k) + I2(k) có KP = 3,8.10-2 ở 7270C THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 35 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO ��� � NH3 (k) + HCl Câu 14: Nung NH4Cl ở 4270C bình chân không kín xảy cân bằng: NH 4Cl (tt) �� (k) Lúc cân bằng áp suất của hệ là 4560,0 mmHg Tính ở 427 C: a) Hằng số cân bằng KP và G0 của phản ứng b) H0, S0 của phản ứng Biết ở 4500C áp suất cân bằng của hệ là 8360,0 mmHg, H0, S0 là hằng số khoảng nhiệt độ xét �� � H + I Biết G0 = 27188,19 J ở 7270C; K = 8,474.10-2 ở 17270C � Câu 15: Có cân bằng: 2HI (k) �� (k) (k) a) Tính hằng số cân bằng K ở 727 C b) Tính H0, S0 của phản ứng c) Tính độ phân li của HI ở 7270C và 17270C So sánh giá trị ở hai nhiệt độ xem có phù hợp với nguyên lí Lơ-Sac-tơ-li-ê không? Giải thích Câu 16: Cho 0,250 mol NH4I (tt) vào bình chân không dung tích 3,00 lít ở 600K xảy cân bằng sau: �� � NH + HI K = K = 1,69 � NH4I (tt) �� (k) (k) P �� � H +I K =K = � 2HI (k) �� (k) (k) P 64 a) Tính áp suất riêng phần các khí và áp uất tổng của hệ lúc cân bằng b) Tính khối lượng NH4I (tt) còn lại hệ đạt cân bằng Câu 20: Đun nóng tới 4450C một bình kín chứa mol I và 5,3 mol H2 thì tạo 9,5 mol HI lúc cân bằng Xác định lượng HI thu được xuất phát từ mol I2 và mol H2 Câu 21: Tại 500C và dưới áp suất 0,344 atm độ phân li của N2O4 thành NO2 bằng 63% Xác định KP và KC Câu 22: Một hỗn hợp khí gồm mol nitơ và mol hiđro được gia nhiệt tới 387 0C Tại áp suất 10 atm hỗn hợp cân bằng chứa 3,85% về thể tích là amoniac Xác định KP, KC �� � 2NO ; K = 1,27 Xác � Câu 23: Cân bằng sau được thiết lập ở 630C và xuất phát từ N2O4: N2O4 (k) �� 2(k) P định thành phần hỗn hợp cân bằng khi: a) Áp suất chung bằng atm b) Áp suất chung bằng 10 atm �� � 2NO bằng � Câu 24: Ở 00C và áp suất P = atm hằng số cân bằng K P của phản ứng: N2O4: N2O4 (k) �� 2(k) 0,049 ứng với độ phân li là 11% a) Cũng ở nhiệt độ đã cho, giảm áp suất từ atm xuống 0,8 atm độ phân li thay đổi thế nào? b) Để độ phân li đạt 8% thì phải nén hỗn hợp khí tới áp suất atm? �� � CH OH biết rằng � Câu 25: Tính hằng số cân bằng KP ở 250C đối với phản ứng: CO (k) + 2H2 (k) �� (k) �� � �� � CH OH bằng -29,1 kJ.mol-1 và áp lượng tự chuẩn G0 đối với phản ứng: CO + 2H (k) (k) (l) suất của metanol ở 25 C bằng 1620 Pa Câu 26: Ở 813K áp suất phân li của MgCO bằng 0,996.105 Pa, ở 843K áp suất này bằng 1,786.10 -5 Pa �� � MgO + CO � Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân tích MgCO3 theo phương trình: MgCO3 �� �� � �� � 2CO (1) trạng thái cân bằng được xác định bởi các dữ Câu 27: Đối với phản ứng: C + CO (gr) (k) (k) kiện: Nhiệt độ (0C) Áp suất toàn phần (atm) %CO hỗn hợp 800 2,57 74,55 900 2,30 93,08 �� � � 2CO (k) + O2 (k) (2) bằng 1,25.10-16 Biết rằng Hằng số cân bằng ở 900 C đối với phản ứng: 2CO (k) �� nhiệt hình thành ở 9000C đối với CO2 bằng -390,7 kJ.mol-1, hãy tính H0, S0 ở 9000C của phản ứng (2) �� � CH + H O bằng 1,25.10-10 � Câu 28: Ở 900K hằng số cân bằng KP của phản ứng: CO (k) + 3H2 (k) �� (k) (k) Số mol lúc cân bằng của CO, H 2, H2O (h) bằng và bằng Xác định hằng số cân bằng K C, K đối với hệ có thể tích 0,1 lít �� � 2NO + � Câu 29: Tại 457K và dưới áp suất chung 1,0 atm độ phân li NO2 theo phản ứng: 2NO2 �� (k) O2 (k) bằng 5% Xác định hằng số cân bằng KP và KC của phản ứng THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 36 TÀI LIỆU ƠN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TỐN MÁY TÍNH CASIO �� � PCl bằng Xác định: � Câu 30: Ở 510K hằng số cân bằng KP của phản ứng: PCl3 (k) + Cl2 (k) �� (k) a) Độ phân li PCl5 ở áp suất atm b) Tính áp suất mà tại đó 20% PCl5 bị phân tích c) Phải thêm mol clo vào mol PCl5 để độ phân tích giảm còn 20% ở atm? �� � 2HI bằng 50 Hỏi có � Câu 31: Ở 4450C hằng số cân bằng KP của phản ứng: H2 (k) + I2 (k) �� (k) mol HI được tạo nếu đun tới nhiệt độ hỗn hợp gồm 1,27 gam I và 0,02 gam H2? Tính áp suất riêng phần từng khí hỗn hợp cân bằng biết thể tích bình là 1,0 lít �� � 2NO � Câu 32: Cho các dữ kiện: N2O4 (k) �� 2(k) H tt (kJ.mol-1) 298 9,665 33,849 S (kJ.mol ) 304,3 240,4 Giả thiết rằng biến thiên entanpi và entropi phản ứng không thay đổi theo nhiệt độ, cho biết phản ứng xảy theo chiều nào tại nhiệt độ 00C và 1000C? Câu 33: Cho hỗn hợp khí A gồm H2 và CO có cùng số mol Người ta muốn điều chế H từ hỗn hợp A �� � CO + H Hằng số cân bằng K tại � bằng cách chuyển hóa CO theo phản ứng: CO (k) + H2O (k) �� (k) (k) C nhiệt độ thí nghiệm bằng Tỉ lệ số mol ban đầu của CO và H 2O bằng : n Gọi a là % số mol CO bị chuyển hóa thành CO2 a) Hãy thiết lập biểu thức quan hệ giữa n, a và KC b) Cho n = 3, tính % thể tích CO hỗn hợp phản ứng đạt cân bằng �� � 2NO với tốc độ phân hủy là � Câu 34: Ở 270C, atm N2O4 bị phân hủy theo phản ứng: N2O4 (k) �� 2(k) 20% Tính: a) Hằng số cân bằng KC b) Độ phân hủy một mẫu N2O4 (k) có khối lượng 69 gam chứa một bình có thể tích 20 lít ở 270C �� � 2Hg + O với các số liệu sau � Câu 35: Thủy ngân oxit phân hủy theo phản ứng: 2HgO (r) �� (k) (k) -1 H 0298 (kJ.mol-1) S0298 (J.mol-1.K-1 ) Cp (J.mol-1.K-1 ) Hg (k) 61 175 21 O2 (k) 205 29 HgO (r) -91 70 44 a) Hãy tính G và KP cho phản ứng ở 400 C b) Tính áp suất riêng phần của Hg và áp suất tổng của các khí lúc cân bằng ở 4000C Câu 36: Ở nhiệt độ T, phản ứng giữa CO và C (rắn) nóng đỏ, dư tạo thành CO có hằng số cân bằng K P bằng 10 a) Xác định nồng độ phần mol của các khí hỗn hợp tại trạng thái cân bằng biết áp suất chung của hỗn hợp tại trạng thái cân bằng là atm b) Xác định áp suất riêng phần của CO2 lúc cân bằng c) Xác định áp suất chung của hỗn hợp cho lúc cân bằng CO2 chiếm 6% thể tích �� � 2NO � Câu 37: Cho cân bằng hóa học sau: N 2O4 (k) �� (k) (1) Thực nghiệm cho biết khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí ở 35 C bằng 72,45 g/mol và ở 450C bằng 66,80 g/mol a) Tính hằng số phân li của N2O4 ở mỗi nhiệt độ b) Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng (1) ở mỗi nhiệt độ c) Cho biết theo chiều nghịch phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt? Giải thích Câu 38: Amoni hiđrosunfua là một chất không bền dễ dàng bị phân hủy thành NH (k) và H2S (k) theo �� � NH + H S Cho các số liệu nhiệt động sau tại 250C � phương trình: NH4HS (r) �� (k) (k) H 0298 (kJ.mol-1) NH4HS (r) -156,9 NH3 (k) -45,9 H2S (k) -20,4 0 0 a) Tính H , S , G của phản ứng tại 25 C b) Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng ở 250C THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG S0298 (J.mol-1.K-1 ) 113,4 192,6 205,6 37 TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO c) Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng ở 350C, giả thiết cả H0, S0 không phụ thuộc vào nhiệt độ d) Tính áp suất toàn phần bình chứa nếu phản ứng đạt cân bằng tại 25 0C (bỏ qua thể tích của NH4HS (r)) �� � CaO + CO ở 8000C, áp suất của khí CO là 0,236 atm � Câu 39: Có cân bằng: CaCO3 (r) �� (r) (k) a) Tính hằng số cân bằng KP, KC của phản ứng b) Bỏ 20 gam CaCO3 vào bình dung tích không đổi 10 lít Hỏi ở trạng thái cân bằng có phần trăm CaCO3 đã bị nhiệt phân? �� � CO + H O � Câu 40: Cho phản ứng: CO2 (k) + H2 (k) �� (k) (k) 0 a) Tính G0 của phản ứng ở 1000K biết H1000K = 35040 J.mol-1; S1000K = 32,11 J.mol-1.K-1 b) Tính KP, KC của phản ứng ở 1000K c) Một hỗn hợp khí chứa 35% thể tích H2, 45% thể tích CO và 20% thể tích nước được nung nóng tới 1000K Tính thành phần hỗn hợp ở trạng thái cân bằng �� � 2NO Trong một bình chân không thể tích 0,5 lít được trì ở � Câu 41: Cho cân bằng: N2O4 (k) �� 2(k) -3 45 C có 3.10 mol N2O4 nguyên chất Khi cân bằng được thiết lập áp suất bình là 0,255 atm a) Xác định độ phân hủy của N2O4 ở nhiệt độ và hằng số cân bằng KP b) Tính KP ở 210C Từ kết quả hãy tính biến thiên entropi, lượng tự Gibbs và xác định chiều phản ứng xảy ở nhiệt độ đó Biết biến thiên entanpi của phản ứng phân hủy N2O4 là 72,8 kJ.mol-1 �� � HO + � Câu 42: Cho các dữ kiện: H2 (k) + CO2 (k) �� CO (k) (k) H 0tt (kJ.mol-1) - 393,5 -241,8 -110,5 S0298 (J.mol-1.K-1) 130,6 213,6 188,7 197,6 a) Tính biến thiên entanpi, entropi của phản ứng b) Tính G0 và hằng số cân bằng của phản ứng ở 250C c) Giả sử biến thiên entanpi, entropi không thay đổi theo nhiệt độ, phản ứng sẽ tự xảy theo chiều nào ở 1000C? d) Ở 250C, giả sử ban đầu ta trộn 0,2 mol H 2, 0,3 mol CO2, 0,1 mol H2O, 0,1 mol CO bình kín dung tích 2,0 lít Hỏi sau cân bằng được thiết lập thì số mol từng chất sẽ tăng lên hay giảm đi? Giải thích �� � 2NH � H 0298K = -92 kJ.mol-1 Câu 43: Cho cân bằng hóa học: N2 (k) + 3H2 (k) �� (k) Nếu xuất phát từ hỗn hợp chứa N và H2 theo tỉ lệ mol : thì đạt tới trạng thái cân bằng (ở 450 0C và 300 atm) NH3 chiếm 36% thể tích a) Tính hằng số cân bằng KP b) Giữ nhiệt độ không đổi 4500C, cần tiến hành ở áp suất để đạt cân bằng NH chiếm 50% thể tích? c) Giữ áp suất không đổi 300 atm, cần tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ nào để cân bằng NH chiếm 50% thể tích? d) Cho H không biến đổi khoảng nhiệt độ trên, tính G, S của phản ứng tại nhiệt độ 4500C �� � H + Cl � Câu 44: Cho phản ứng: 2HCl (k) �� (k) (k) a) Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng ở 2000k Biết rằng độ điện li của HCl ở nhiệt độ này là 4,1.10-3 b) Ở 1000K phản ứng có Kp = 4,9 10-11 Tính H0 của phản ứng (Biết H0 là hằng số khoảng nhiệt độ xét) �� � 2NO là Tính phần trăm số mol của � Câu 45: Ở 1000C hằng số cân bằng của phản ứng: N2O4 (k) �� (k) hỗn hợp áp suất chung của hệ lần lượt là 2atm và 20 atm Rút kết luận về ảnh hưởng của áp suất đến sự chuyển dịch cân bằng THẦY GIÁO TRƯỜNG LÀNG 38 ... Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng 2) Công có thể biến hoàn toàn thành nhiệt, trái lại nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công 3) Không thể có... P0 (hệ) = atm thì hằng số cân bằng KP được tính theo công thức sau: - Công thức: K P Pi PCc PDd vì P0 = atm) a b (trong công thức này để đơn giản ta đã bỏ qua tỉ số P0 PA PB... TRƯỜNG LÀNG TÀI LIỆU ÔN THI HỌC SINH GIỎI GIẢI TOÁN MÁY TÍNH CASIO CHUYÊN ĐỀ 2: CÂN BẰNG HÓA HỌC A LÝ THUYẾT CƠ BẢN I Khái niệm cân bằng hóa học và sự chuyên dịch cân bằng