Sáng kiến kinh nghiệm hóa học 12 bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học

BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC A ĐẶT VẤN ĐỀ I LỜI MỞ ĐẦU: Trong trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt cho giáo viên phát triển tư cho học sinh, giúp học sinh phát triển tư cách tốt đặc biệt mơn Hóa học (mơn học nghiên cứu sáng tạo) Việc vận dụng kiến thức lý thuyết vào tập trình tốt để học sinh phát triển tư cho học sinh Vậy để học sinh có kỹ tự học, tự sáng tạo học sinh giáo viên phải cung cấp cho học sinh kiến thức phương pháp tập phù hợp với mức độ yêu cầu kỳ thi Trong trình giảng dạy đặc biệt dạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho kỳ thi học sinh giỏi cấp, tơi thấy có số chun đề cần phải đào sâu kiến thức học sinh khơng có tài liệu việc tự học sinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho kiến thức khó.Vì thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên bổ sung kiến thức thêm cho học sinh hệ thống kiến thức hệ thống dạng tập cho học sinh Với ý định đó, sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) muốn đưa hệ thống lý thuyết số dạng tập thuộc chương trình ơn thi học sinh giỏi cấp tốn nhiệt hóa học- cân hóa học Dĩ nhiên phương pháp kết hợp lý thuyết mà học sinh tiếp thu q trình học tập phổ thơng II THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: * Thực trạng : Trong kỳ thi, đặc biệt kỳ thi quan trọng học sinh phổ thông đặc biệt kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên Vấn đề đặt gặp tốn dạng khơng có nhiều chương trình ( Bài tốn nhiệt động cân hóa học) học sinh gặp nhiều khó khăn thường khơng làm Vì trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu giảng dạy thêm cho học sinh kiến thức phương pháp giải tập liên quan cho học sinh đặc biệt kiến thức nâng cao nhằm phục vụ cho kỳ thi quan trọng * Kết quả, hiệu quả: Với thực trạng nêu với học sinh có kỹ tốt suy luận để đưa cách giải hợp lý không không giải Từ ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu kiến thức tìm phương pháp giải tập học sinh nhiều hạn chế chưa phù hợp với mức độ kỳ thi BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC Trước tình hình học sinh tơi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói quen gặp vấn đề mà chương trình phổ thơng cịn hạn chế giáo viên phải người đưa tình nhằm thúc khả tự học kiến thức đưa phương pháp phù hợp Do q trình giảng dạy tơi có đưa phương pháp giải nhanh tốn hóa học : Bài tốn nhiệt hóa học – cân hóa học Trong sáng kiến kinh nghiệm muốn đưa phần kiến thức số tập phù hợp với số kỳ thi Nội dung thiết lập sử dụng có hiệu quả, hình thành phát triển mở rộng thông qua nội dung kiến thức, tích lũy thành kiến thức cho học sinh chuyên đề BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC B CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN: - Giáo viên tiến hành phần riêng cho học sinh: * PHẦN 1: HƯỚNG DẪN LÝ THUYẾT CƠ BẢN CHO HỌC SINH: I Phần 1: Cung cáp lý thuyết cho học sinh nhiệt phản ứng cân hóa học A Một số khái niệm sở nhiệt động học I Hệ: Khái niệm: * Hệ tập hợp đối tượng nghiên cứu giới hạn khu vực khơng gian xác định * Hệ mở hệ trao đổi chất lượng với môi trường ngồi * Hệ kín hệ trao đổi lượng mà không trao đổi chất với mơi trường ngồi * Hệ lập hệ khơng trao đổi chất lượng với môi trường ngồi * Hệ đồng thể hệ mà khơng có phân chia thành khu vực khác với tính chất khác Hệ đồng thể cấu tạo pha * Hệ dị thể hệ tạo thành nhiều pha khác Các đại lượng đặc trưng cho tính chất hệ: * Các đại lượng dung độ (khuếch độ) đại lượng phụ thuộc vào lượng chất khối lượng, thể tích …Các đại lượng có tính chất cộng * Các đại lượng cường độ đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng… B Hiệu ứng nhiệt phản ứng I Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt phản ứng hoá học lượng nhiệt toả hay hấp thụ phản ứng II Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt: Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:  Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho chất hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất trạng thái bền vững điều kiện tiêu chuẩn BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC * Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho đơn chất trạng thái bền vững điều kiện tiêu chuẩn không  Nhiệt phân huỷ chất hiệu ứng nhiệt phản ứng phân huỷ mol chất thành đơn chất trạng thái bền vững điều kiện tiêu chuẩn Như vậy, nhiệt tạo thành nhiệt phân huỷ chất có giá trị trái dấu Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) chất: hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất O2 để tạo thành sản phẩm dạng bền vững điều kiện tiêu chuẩn Nhiệt hoà tan chất: hiệu ứng nhiệt q trình hồ tan mol chất III Định luật Hess “Hiệu ứng nhiệt phản ứng hoá học phụ thuộc vào trạng thái đầu chất phản ứng trạng thái cuối sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào giai đoạn trung gian, nghĩa không phụ thuộc vào đường từ trạng thái đầu tới trạng thái cuối” IV Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng Phương pháp thực nghiệm: Trong phịng thí nghiệm hố học, người ta xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng hoá học cách dùng dụng cụ gọi nhiệt lượng kế Nhiệt lượng kế bố trí cho khơng có trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh Nó gồm thùng lớn đựng nước, nhúng ngập bom nhiệt lượng kế, nơi thực phản ứng hoá học Trong thùng đặt nhiệt kế để đo thay đổi nhiệt độ nước que khuấy để để trì cân nhiệt hệ Phản ứng thực bom nhiệt lượng kế Nhiệt lượng giải phóng (phương pháp thường dùng cho phản ứng toả nhiệt) nước hấp thụ làm tăng nhiệt độ nhiệt lượng kế từ T1 đến T2 Ta xác định nhiệt lượng toả Q sau: Q = C(T2 – T1) (1) (C: nhiệt dung nhiệt lượng kế (J/K)) Từ đó, xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng Phương pháp xác định gián tiếp Dựa vào định luật Hess, ta xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt trình cho cách sau: (1) Dựa vào chu trình nhiệt hố học BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC (2) Cộng đại số trình (3) Dựa vào sinh nhiệt chất: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng sinh nhiệt chất sản phẩm trừ tổng sinh nhiệt chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng) (4) Dựa vào thiêu nhiệt chất: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng thiêu nhiệt chất tham gia trừ tổng thiêu nhiệt chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng) (5) Dựa vào lượng phân ly liên kết Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng lượng phân ly liên kết tất liên kết chất tham gia trừ tổng lượng phân ly liên kết tất liên kết chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng) B Nguyên lý I nhiệt động học I Nội dung Nội dung nguyên lý I nhiệt động học bảo tồn lượng: “Năng lượng khơng thể sinh tự biến mà chuyển từ dạng sang dạng khác” II Nội U entanpi H * Nội hệ tổng lượng tồn bên hệ, bao gồm: lượng hạt nhân, lượng chuyển động electron nguyên tử, lượng liên kết, lượng dao động nguyên tử, lượng chuyển động phân tử … * Ta xác định giá trị tuyệt đối nội U hệ mà xác định biến thiên nội hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác Giả sử trạng thái đầu 1, hệ nhận nhiệt lượng Q, sinh công W chuyển thành trạng thái biến thiên nội hệ là: U = Q + W (Qui ước hệ nhận nhiệt Q > hệ sinh cơng W < 0) * Nếu phản ứng xảy bình kín, dung tích khơng đổi (q trình đẳng tích) W = 0, đó: QV = U * Nhưng nhiều phản ứng thực áp suất không đổi áp suất khí (q trình đẳng áp), đó: W = - P.V U = QP – P.V BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC QP = U + P.V QP = (U2- U1) + P(V2 – V1) QP = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Người ta gọi (U + PV) entanpi, ký hiệu H Do : QP = H2 – H1 = H Khi áp suất không đổi, lượng nhiệt QP biến thiên entanpi H III Quan hệ QP QV Ta có: QP = U + P.V QP = U + P.(V2 – V1) QP = U + (n2RT – n1RT) QP = QV + nRT (2) n: Độ biến thiên số mol khí * Chú ý: So với thể tích mol chất khí, thể tích mol chất rắn lỏng nhỏ, khơng đáng kể Do đó, biến thiên thể tích chất rắn lỏng phản ứng hoá học coi khơng Vì vậy, xét cơng học ta ý đến biến thiên thể tích chất khí IV Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Định luật Kirchoff T2 HT = HT + C P dT T1 (3) Trong đó: HT i : Hiệu ứng nhiệt phản ứng Ti K CP: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp chất phản ứng Nếu nhiệt dung chất khơng phụ thuộc vào nhiệt độ CP = Const, đó: (4) HT = HT + CP(T2 – T1) BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC C Nguyên lý II nhiệt động học I Khái niệm entropi * Về ý nghĩa vật lý, entropi đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử hệ cần xét Mức độ hỗn độn hệ cao entropi hệ có giá trị lớn * Đối với trình thay đổi trạng thái vật lý chất nhiệt độ khơng thay đổi áp suất khơng thay đổi biến thiên entropi trình là: S = H T (5) * Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là: S =  S (sản phẩm) -  S (chất phản ứng) (6) * Chú ý: Entropi tiêu chuẩn đơn chất bền điều kiện tiêu chuẩn không II Nội dung nguyên lý II nhiệt động học “Trong trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi hệ môi trường xung quanh phải tăng” III Năng lượng tự Gibbs * Các q trình hố, lý thường xảy hệ kín, tức có trao đổi nhiệt cơng với mơi trường xung quanh, đó, dùng biến thiên entropi để đánh giá chiều hướng trình phức tạp phải quan tâm đến mơi trường xung quanh Vì vậy, người ta kết hợp hiệu ứng lượng hiệu ứng entropi hệ để tìm điều kiện xác định chiều diễn biến trình tự phát Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa đại lượng lượng tự Gibbs định nghĩa: G = H – TS * Đối với trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì: G = H –T.S (7) Trong hệ thức này, G, H S liên quan đến hệ cần xét BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC G gọi biến thiên đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn biến thiên đẳng áp entanpi tự lượng tự Gibbs) tiêu chuẩn để đánh giá q trình có xảy hay khơng? Nếu G < trình tự xảy Nếu G = hệ trạng thái cân Nếu G > q trình khơng xảy (nhưng q trình ngược lại tự xảy ra) IV Biến thiên đẳng áp phản ứng hoá học Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn chất ( Go) * Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn chất biến thiên đẳng áp q trình hình thành mol chất từ đơn chất trạng thái bền vững điều kiện tiêu chuẩn * Chú ý: Go đơn chất trạng thái bền vững điều kiện tiêu chuẩn khơng (Go chất có tài liệu tra cứu) Biến thiên đẳng áp phản ứng hoá học G =  G (sản phẩm) -  G (chất phản ứng) (8) G = H – T.S (9) * Chú ý:  Người ta qui ước nhiệt độ, Ho(H+.aq) = Go(H+.aq) = 0, nghĩa phản ứng: 1/2H2(k) - 1e + H2O  H+(aq) có Ho = Go = Từ xác định Ho Go ion khác dung dịch  Người ta thống qui ước So(H+.aq) = nhiệt độ từ lập bảng So cho ion khác dung dịch D Cân hoá học I Hằng số cân Xét phản ứng thuận nghịch: aA + bB cC + dD Người ta thiết lập biến thiên đẳng nhiệt, đẳng áp phản ứng là: BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC G = G + RTln o aC a D c d a b a A a B (10) đó: Go: Biến thiên dẳng nhiệt, đẳng áp phản ứng ai: Hoạt độ cấu tử i - Nếu i chất khí = Pi / Po (Po áp suất tiêu chuẩn atm) - Nếu i chất tan dung dịch = Ci / Co (Co nồng độ tiêu chuẩn 1M) - Nếu i dung mơi chất rắn = Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân G = 0, đó:  a C c a D d G = - RTln  a b  a A a B o     CB (11) (CB cấu tử trạng thái cân bằng) Đối với phản ứng định, nhiệt độ xác định, Go số nên từ (11) suy đại lượng sau dấu ln số, đại lượng gọi số cân nhiệt động, ký hiệu Ka  a C c a D d Ka =  a b  a A a B     CB (12) (Khi khơng sợ nhầm lẫn khơng cần ghi ký hiệu CB chân) Đặt Q = aC a D c d a b a A a B (13) (Q gọi hàm hoạt độ hay thương số phản ứng) Từ (10) đến (13) suy ra: G = RTln Q Ka (14) Do đó: * Nếu Q < Ka, phản ứng xảy theo chiều thuận * Nếu Q > Ka, phản ứng xảy theo chiều nghịch * Nếu Q = Ka, phản ứng trạng thái cân BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC II Các biểu thức tính số cân Hằng số cân theo áp suất (Kp) Xét phản ứng thuận nghịch xảy pha khí: aA(k) + bB(k) Kp = PC PD c d a b PA PB cC(k) + dD(k) (15) (Pi: Giá trị áp suất riêng phần cấu tử i TTCB tính theo atm) Pi = xi.P = niRT/V Hằng số cân theo nồng độ mol (KC) Xét phản ứng đồng thể (xảy dung dịch hay pha khí): aA + bB KC =  C  c  D d  A a  B b cC + dD (16) ([i]: Giá trị nồng độ mol cấu tử i TTCB) * Chú ý: Đối với phản ứng xảy pha khí thì: KP = KC.(RT)n (17) (n = (c + d) – (a + b); R = 0,082) Đại lượng Kx Xét phản ứng đồng thể: aA + bB c Kx = x C x D d a b x A x B (18) (xi = cC + dD ni n ) Đối với phản ứng xảy pha khí thì: KP = Kx.(P)n (19) (P: Ấp suất chung hệ) KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy K x phụ thuộc vào nhiệt độ mà phụ thuộc vào áp suất chung hệ Chỉ trường hợp n = 0, Kx = Kp, Kx khơng phụ thuộc vào áp suất chung hệ * Chú ý: Khi n = thì: KP = KC = Kx 10 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC Hằng số cân phản ứng oxi hoá khử: Xét bán phản ứng: aOx + ne bKh Ta có: Go = -RTlnK = -nFEo  lgK = F nEo 2,303.RT Ở 25oC (298K) lgK = F = , đó: 0,059(2) 2,303.RT nE o 0,059 K = 10 nE o /0,059 (20) Xét phản ứng oxi hoá - khử gồm hai bán phản ứng sau: o /0,059 aOx1 + ne bKh1 K1 = 10 nE cKh2 - me dOx2 K2 = 10 – mE maOx1 + ncKh2 o /0,059 mbKh1 + ndOx2 Xm Xn K = 10 mn(E o -E o )/0,059 III Sự phụ thuộc số cân vào nhiệt độ Ta có: Go = Ho – T.So = - RTlnK  lnK = - H o S o + RT R Gọi K1, K2 số cân phản ứng T1K T2K Giả sử Ho So phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì: H o S o lnK1 = + RT1 R 11 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC H o S o lnK2 = + RT2 R  ln K2 H  1 (  ) = R T1 T2 K1 (21) (Công thức Van’t Hoff) IV Sự chuyển dịch cân Khái niệm chuyển dịch cân Cân hoá học cân động, đặc trưng giá trị hồn tồn xác định thơng số nhiệt độ, nồng độ, áp suất cấu tử hệ Nếu người ta thay đổi nhiều thơng số trạng thái hệ bị thay đổi, cân hoá học hệ bị phá vỡ Sau thời gian, hệ chuyển đến trạng thái cân Hiện tượng gọi chuyển dịch cân Ảnh hưởng thay đổi nồng độ chất Xét phản ứng đồng thể trạng thái cân bằng: aA + bB cC + dD * Nếu tăng nồng độ chất phản ứng A, B giảm nồng độ chất tạo thành C, D Q < K nên cân chuyển dịch theo chiều thuận * Nếu giảm nồng độ chất phản ứng A, B tăng nồng độ chất tạo thành C, D Q > K nên cân chuyển dịch theo chiều nghịch Kết luận: Cân chuyển dich theo chiều chống lại thay đổi nồng độ chất Ảnh hưởng thay đổi áp suất (nhiệt độ không thay đổi) Ở ta xét thay đổi áp suất chung hệ đến chuyển dịch cân Ảnh hưởng thay đổi áp suất riêng cấu tử giống ảnh hưởng thay đổi nồng độ Xét phản ứng thuận nghịch xảy pha khí: aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k) Ta có: Kx = Kp(P)-n (P: Áp suất chung hệ trạng thái cân bằng) *  n > 0: 12 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC Vì KP số nhiệt độ xác định nên P tăng K x giảm, suy cân chuyển dịch theo chiều nghịch chiều có số phân tử khí *  n < 0: Khi P tăng Kx tăng, suy cân chuyển dịch theo chiều thuận chiều có số phân tử khí Kết luận: Khi tăng áp suất hệ trạng thái cân bằng, cân chuyển dịch phía có số phân tử khí ngược lại *  n = 0: Khi đó, Kx = Kp, Kx không phụ thuộc vào áp suất chung hệ trạng thái cân nên thay đổi áp suất không làm chuyển dịch cân Ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ Ta có: Go = Ho – T.So = - RTlnK  lnK = - H o S o + RT R Ho, So thường phụ thuộc vào nhiệt độ nên: *  Ho < (Phản ứng toả nhiệt): Khi T tăng lnK giảm, tức K giảm, suy cân chuyển dịch theo chiều nghịch, tức chiều thu nhiệt *  Ho > (Phản ứng thu nhiệt) Khi T tăng lnK tăng, tức K tăng, suy cân chuyển dịch theo chiều thuận, tức chiều thu nhiệt Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân chuyển dịch theo chiều thu nhiệt ngược lại Nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier Một phản ứng trạng thái cân tác động yếu tố bên ( Nồng độ, nhiệt độ, áp suất) cân chuyển dịch theo chiều chống lại tác động PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG: * Một số tập nhiệt hóa học: 13 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC Ví dụ 1: Tính H S , 2980 C cđa Cl-(aq) Biết: (a): 1 H2 + Cl2(k)   HCl(k) 2 H S , 2980 C = -92,2(kJ) H S , 2980 C = -75,13(kJ) (b): HCl(k) + aq   H+(aq) + Cl-(aq) (c): H2 + aq   H+(aq) + e H So, 298 = Lời giải: Lấy: (a) + (b) – (c) ta : Cl2 + e + aq = Cl-(aq) H S , 2980 C = - 167,33(kJ) Ví dụ 2: Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng : 3Fe(NO3)2(aq) + 4HNO3(aq)   3Fe(NO3)3(aq) + NO(k) + 2H2O (l) Diễn nước 250 C Cho biết: Fe2+(aq) Fe3+(aq) NO3-(aq) NO(k) H2O(l) H S , 2980 C (kJ/mol) -87,86 - 47,7 -206,57 90,25 -285,6 Lời giải: Phương trình ion phản ứng : 3Fe2+(aq) + 4H+(aq) + NO3-(aq)   3Fe3+(aq) + NO(k) + 2H2O (l)  H=3 H S , 298 (Fe3+,aq)+ H S , 298 (NO)+2 H S , 298 (H2O(l))-3 H S , 298 (Fe2+,aq)- H S , 298 (NO3-, ) aq = 3.(-47,7) + 90,25 + 2.(-285,6) + 3.87,6 + 206,57 = -153,9(kJ) Ví dụ 3: Tính Ho phản ứng sau: 1) Fe2O3(r) + 2Al(r)   2Fe(r) + Al2O3(r) ( 1) Cho biết H S , Fe2O3r = -822,2 kJ/mol; 2) S(r) + O2(k)   SO3(k) H S , Al2O3 r = -1676 (kJ/mol) (2) 14 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Biết: H 298 = -296,6 kJ (3) : S(r) + O2(k)   SO2(k) H 298 = -195,96 kJ (4): 2SO2(k) + O2(k)   2SO3(k) Từ kết thu khả diễn biến thực tế phản ứng rút kết luận gì? Lời giải: 1) 2) o H pu (1) o H pu ( 2) 0 = H S , Al2O3 r - H S , Fe2O3r = -1676 + 822,2 = - 853,8(kJ) = o H pu ( 3) H o pu ( ) + = -296,6 - 195,96 = -394,58 (kJ) KL: Hai phản ứng (1) , (2) tỏa nhiệt mạnh Song thực tế phản ứng không tự xảy Như dựa vào H không đủ để xác định chiều hướng q trình hóa học Ví dụ 4: Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích tiêu chuẩn phản ứng sau 250C a) Fe2O3(r) + 3CO(k)   2Fe(r) + 3CO2(k) H 298 = 28,17 (kJ) b) Cthan ch× + O2(k)   CO2 (k) H 298 = -393,1(kJ) c) Zn(r) + S(r)   ZnS(r) H 298 = -202,9(kJ) H 298 = -195,96 (kJ) d) 2SO2(k) + O2(k)   2SO3(k) Lời giải: Ta có biểu thức  H =  U +  n.RT Do phản ứng a), b), c) có  n = nên  Uo =  Ho Phản ứng d):  Uo =  Ho -  n.RT = -195,96+1.8,314 298,15 10-3 = -193,5 (kJ) * Một số tập cân hóa học: Ví dụ : Cho (mol) PCl5 vào bình chân khơng thể tích V đưa lên nhiệt độ 525 0K : PCl5(k)   PCl3(k) + Cl2(k) (1) Được thiết lập với Kp = 1,86 áp suất hệ atm a Tính số mol chất cân b Cho mol PCl5 mol He vào bình kín 525 0K Tính số mol chất cân cho nhận xét? Lời giải: PCl5(k)   PCl3(k) + Cl2(k) (1) 15 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Ban đầu mol 0 Phản ứng: x mol x mol x mol Cân 1-x mol x mol x mol Vậy nhh sau phản ứng = (1-x) + x + x = 1+x (mol) 1 x Ta có PPCl =  x x x ; pPCl =  x PCl =  x Áp dụng biểu thức : Kp = PPCl3 PCl2 PPCl5 Ta có 2x = 1,86 1 x2 Giải phương trình ta có x = 0,694(mol) Vậy cân số mol PCl5(k) ;PCl3(k) Cl2(k) là: 0,306 ; 0,694 0,694 mol b, Tại cân câu a ta có nhh sau = 1+ x nên V(bình) = (1  x).0,082.525 = 36,44 (lít) Phê theo câu b, có thêm mol He nhh sau = 2+x Phệ = (2  x ).0,082.525 Tương tự tính P PCl ; PPCl PCl cân bằng, thay 36,44 vào Kp hệ ta có biểu thức: x 0,082.525 = 1,85 36,44 1 x Giải phương trình ta x = 0,692 mol( t/mãn) Vậy cân số mol PCl5(k) ;PCl3(k) Cl2 0,308; 0,692 0,692 mol KL: Bài toán với nguyên lý chuyển dịch cân hóa học Ví dụ 2: Có cân : CO(K) + H2O(Hơi)   H2(K) + CO2(K) (1) Cho vào bình phản ứng (mol) H2O mol CO 4600C thấy có 95%CO phản ứng a Tính Kp cân 4600C b Cho H phản ứng nhiệt độ – 41,0 (KJ/mol) Tìm nhiệt độ mà có 99% CO bị phản ứng? Lời giải: 16 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC CO(K) + H2O(Hơi)  H2(K) + CO2(K) (1) a ban đầu mol mol 0 Phản ứng: 0,95 0,95 0,95 0,95 mol Cân 0,05 5,05 0,95 0,95 mol Ta có Kp = PCO PH nCO n H = PCO PH 2O nCO n H 2O Do n =0 Thế giá trị vào ta có : Kp = 3,574 b Ta có nhiệt độ 4600C có Kp1 = 3,574 0,99.0,99 = 19,56 0,01.5,01 H  1 (  ) = R T1 T2 Tương tự t20C ta có với 99% CO bị phản ứng : Kp2 = Áp dụng biểu thức (21) ta có : ln K2 K1 Với K2 = 19,56 t20C K1 = 3,574 4600C ta có ln 19,56  41,0 = ( 3,574 8,134 460  273 t  273) Giải phương trình ta thu t2 = 5850C Ví dụ 3(Đề thi casio khu vực năm 2011-2012): Cho cân : N2(k) + 3H2(k)   2NH3(k)  H = -92KJ/mol Nếu xuất phát từ hỗn hợp ban đầu N H2 theo tỉ lệ mol 1: đạt đến trạng thái cân 4500C 300atm, NH3 chiếm 36% thể tích hỗn hợp a Tính số Kp cân trên? b Tiến hành nhiệt độ 450 0C, cần phải tiến hành áp suất để đạt cân NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? c Giữ áp suất không đổi 300atm cần phải tiến hành nhiệt độ để cân NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? Lời giải: a Giả sử số mol sau phản ứng mol Vậy số mol NH 3, N2 H2 : 0,36 ; 0,48 0,16 mol tương ứng với x3 , x2 , x1 (mol) 17 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Thay vào biểu thức Kp = x 23 x1 x p 0,36 = = 8,138.10-5 0,16.0,48 3.300 b Theo điều kiện cân NH3 chiếm 50% thể tích (hay số mol) hỗn hợp : Vậy số mol NH3, N2 H2 : x3 = 0,50 ; x1 = 0,125 x2 = 0,375 - Vì nhiệt độ khơng đổi nên Kp khơng đổi, thay vào biểu thức Kp ta có: 0,50 Kp = = 8,138.10-5 0,125.0,375 p Giải phương trình ta thu p = 680atm c Áp dụng biểu thức tương tự câu b ví dụ ta có t = 3800C * Một số tập đề thi: Bài tập 1:( Đề thi casio khu vực 2008): Tại 4000C, P = 10atm phản ứng: �� � 2NH3 (k) có Kp = 1,64 104 N2(k) + 3H2(k) �� � Tìm % thể tích NH3 trạng thái cân bằng, giả thiết lúc đầu N2(k) H2(k) có tỉ lệ số mol theo hệ số phương trình Bài tập 2:(Đề thi casio khu vực 2008): Nitrosyl clorua chất độc, đun nóng phân huỷ thành nitơ monoxit clo a) Hãy viết phương trình cho phản ứng b) Tính Kp phản ứng 298K(theo atm theo Pa) Nitrosyl clorua Nitơ monoxit Cl2 H 298 (kJ/mol) 51,71 90,25 ? S0 298 (J/K.mol) 264 211 223 c) Tính gần Kp phản ứng 475K Bài tập 3:(Đề thi casio khu vực 2008 dự bị): Cho số liệu nhiệt động số phản ứng sau 298K Số phản ứng Phản ứng Ho298 (kJ) 18 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 2NH3 + 3N2O  4N2 + 3H2O (1)  N2H4 + H2O (2) N2O + 3H2 (3) 2NH3 + 0,5O2  N2H4 + H2O (4) H2  1011  317  143 + 0,5 O2  H2O  286 S0298 (N2H4) = 240 J/K.mol ; S0298 (H2O) = 66,6 J/K.mol S0298 (N2) = 191 J/K.mol ; S0298 (O2) = 205 J/K.mol a) Tính nhiệt tạo thành Ho298 N2H4 ; N2O NH3 b) Viết phương trình phản ứng cháy Hidrazin tính Ho298 , Go298 số cân K phản ứng Bài tập 4:(Đề thi casio khu vực 2008 dự bị): Tại 250C, phản ứng: �� � CH3COOC2H5 + H2O có số cân K = CH3COOH + C2H5OH �� � Ban đầu người ta trộn 1,0 mol C2H5OH với 0,6 mol CH3COOH Tính số mol este thu phản ứng đạt tới trạng thái cân Bài tập 5:( Đề thi casio Thanh hóa năm 2011-2012): Thực phản ứng: N2O4  2NO2 áp suất 1atm, với độ phân li 11% a) Tính số cân Kp theo atm pa b) Độ phân li thay đổi áp suất hệ giảm từ atm xuống 0,8 atm Từ rút nhận xét ảnh hưởng áp suất đến phản ứng Bài tập :(Đề thi casio tỉnh Đồng Tháp năm học 2011-2012): Ở 100 0C số cân phản ứng: �� � 2NO2(k) N2O4(k) �� � Tính thành phần phần trăm số mol hỗn hợp áp suất chung hệ 2atm 20 atm Từ rút kết luận ảnh hưởng áp suất đến chuyển dịch cân Bài tập 7: ( Đề thi casio tỉnh Quảng Ngãi năm học 2009-2010): 19 BÀI TỐN NHIỆT HĨA HỌC VÀ CÂN BẰNG HĨA HỌC Xác định nhiệt hình thành AlCl3 Biết: (1)Al2O3 (r) + 3COCl2 (k)  3CO2 (k) + 2AlCl3 (r), H1 = 232,24kJ (2)CO (k) + Cl2 (k)  COCl2 (k) , H2 = 112,40kJ (3)2Al (r) + 1,5O2 (k)  Al2O3 (r), H3 = 1668,20kJ (4)Nhiệt hình thành CO 110,40 kJ/mol (5)Nhiệt hình thành CO2 393,13 kJ/mol Bài tập 8:( Đề thi casio khu vực 2010):: Tính nhiệt tạo thành chuẩn phản ứng ( 250C): (NH2)2 CO (r) + H2O(l) CO2(k) + 2NH3(k) Biết điều kiện thì: CO(k) + H2O(k)  CO2(k) + H2O(k) -41,13 KJ CO(k) + Cl2(k)  COCl2(k) -112,5KJ COCl2(k) + 2NH3(k)  (NH2)2 CO (r) + 2HCl(k) -201KJ Nhiệt tạo thành HCl(k) = -92,3 KJ/mol Nhiệt hóa H2O (2980K) 40,01KJ/mol 20 BÀI TỐN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC MỘT VÀI KẾT QUẢ THU ĐƯỢC SAU BÀI KIỂM TRA: - Để biết hiệu q trình tơi tiến hành thực giảng dạy kiểm tra với đối tượng học sinh thuộc lớp khác mức độ học tập tương đương ( Lớp 12A1 12A2 trường THPT Hoằng Hóa 3) lớp (12A1) nghiên cứu toán với lớp (12A2) chưa nghiên cứu Tôi thu kết sau: + Đối với em lớp 12A2 chưa nghiên cứu học sinh khơng nắm bắt cách làm dạng tập phần + Đối với em lớp 12A1 sau nghiên cứu xong vấn đề việc em vận dụng vào toán tương đối dễ dàng thu kết cao gặp toán liên quan BẢNG THỐNG KÊ KẾT QUẢ KHI SO SÁNH Ở LỚP NHƯ SAU: Lớp Sĩ số % HS loại giỏi %HS loại %HS loại TB %HS loại yếu-kém 12A2 50 0% 9% 13% 88% 12A1 50 50% 42% 5% 3% Qua ta thấy việc giáo viên đưa tình kiến thức mới, dạy học sinh thông qua chuyên đề cần thiết, đặc biệt với đối tượng học sinh giỏi em tham gia kỳ thi học sinh giỏi Tài liệu tham khảo: - Giáo trình hóa lý tập 1,2 – NXB Giáo dục năm 2000(Nguyễn Đình Huề) - Một số đề thi casio khu vực, tỉnh đề thi HSG quốc gia 21 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC C KẾT LUẬN I KẾT QUẢ THU ĐƯỢC: Sau thời gian kiểm nghiệm đối tượng học sinh nghiên cứu vấn đề cụ thể mà đưa thấy học sinh có phát triển tư duy, có khả phát triển tư bổ sung kiến thức, phương pháp làm toán kỳ thi hóa học Ngồi thiết lập cho học sinh kiến thức vấn đề thế, thấy cịn hình thành cho học sinh kiến thức hóa học phong phú cần phải nghiên cứu nhiều, giúp hình thành cho học sinh suy nghĩ cần phải tự tìm tịi sáng tạo Điều phản ánh hiệu việc dạy học tích cực kết hợp với tư sáng tạo học sinh Đó mục đích thân báo cáo sáng kiến kinh nghiệm Vấn đề đưa phù hợp với nhu cầu mức độ kỳ thi nay, áp dụng với nhiều dạng toán hóa học khác Khi nghiên cứu phương pháp học sinh cung cấp kiến thức quan trọng vận dụng cho hiệu xác đáng Để chuyên đề học sinh nắm vững cách hiệu trước hết yêu cầu học sinh phải nắm vững lý thuyết nhìn nhận chất q trình hóa học xảy Sau giáo viên đưa tình có vấn đề, yêu cầu học sinh sáng tạo đưa phương hướng giải hướng dẫn giáo viên II KIẾN NGHỊ: Qua thành công bước đầu phương pháp thiết nghĩ cần phải có nghiên cứu hình thành đưa chuyên đề cụ thể giúp học sinh có đủ kiến thức phục vụ kỳ thi cách có kết có hệ thống Chúng ta khơng nên dạy kiến thức SGK mà cần phải đưa kiến thức phù hợp với mức độ yêu cầu cao kỳ thi Để hình thành cho học sinh thói quen khơng tốt nghiên cứu vấn đề, lịng với kiến thức có mà khơng tự tìm tịi kiến thức Do q trình giảng dạy tơi ln đưa học sinh vào tình có vấn đề u cầu học sinh tự hình thành cho kiến thức có hiệu cụ thể kỳ thi Sáng kiến kinh nghiệm phần nhỏ thân thu trình giảng dạy phạm vi nhỏ hẹp Vì việc phát ưu nhược điểm chưa đầy đủ sâu sắc Mong báo cáo kinh nghiệm đồng nghiệp cho thêm ý kiến phản hồi ưu nhược điểm chuyên đề Cuối mong chuyên đề đồng nghiệp nghiên cứu áp dụng cách hiệu thực tiễn để rút điều bổ ích 22 BÀI TỐN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Bài viết chắn khơng thể thiếu thiếu sót mong đóng góp ý kiến, phê bình, phản hồi đồng nghiệp Xác nhận Hiệu Trưởng Hoằng Hóa, Ngày 12/5/2013 Tôi xin cam đoan SKKN viết, khơng chép nội dung người khác Người thực Lê Văn Cường 23 ... tự học kiến thức đưa phương pháp phù hợp Do q trình giảng dạy tơi có đưa phương pháp giải nhanh tốn hóa học : Bài tốn nhiệt hóa học – cân hóa học Trong sáng kiến kinh nghiệm muốn đưa phần kiến. .. qua nội dung kiến thức, tích lũy thành kiến thức cho học sinh chuyên đề BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC B CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN: - Giáo viên tiến hành phần riêng cho học sinh: * PHẦN... COCl2(k) - 112, 5KJ COCl2(k) + 2NH3(k)  (NH2)2 CO (r) + 2HCl(k) -201KJ Nhiệt tạo thành HCl(k) = -92,3 KJ/mol Nhiệt hóa H2O (2980K) 40,01KJ/mol 20 BÀI TỐN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC MỘT VÀI KẾT