7. Phương phỏp và phương tiện nghiờn cứu
3.2.6. Bài toỏn liờn quan đến hiệu suất phản ứng [2], [4], [5], [6]
Phương phỏp:
Thực tế, do một số nguyờn nhõn, một số phản ứng húa học xóy ra khụng hoàn toàn, nghĩa là hiệu suất phản ứng (H%) dưới 100%.
Cỏch 1: Tớnh theo lượng chất tham gia phản ứng:
L ợng chất tham gia phản ứng
H = .100%
L ợng chất đó đem dùng
Cỏch 2: Tớnh theo lượng sản phẩm thu được:
L ợng sản phẩm thu đ ợc thực tế
H = .100%
L ợng sản phẩm thu đ ợc theo phản ứng
Trừ trường hợp đề yờu cầu cụ thể tớnh hiệu suất phản ứng theo chất nào thỡ ta phải tớnh theo chất ấy. Cũn khi ta biết lượng của nhiều chất tham gia phản ứng, để tớnh hiệu suất chung của phản ứng ta phải:
So sỏnh tỉ lệ mol của cỏc chất này theo đề cho và theo phản ứng:
+ Nếu tỉ lệ mol so sỏnh là như nhau: Thỡ hiệu suất phản ứng tớnh theo chất tham gia nào cũng cho cùng một kết quả.
+ Nếu tỉ lệ mol so sỏnh là khỏc nhau, thỡ hiệu suất phản ứng khụng được tớnh theo chất luụn luụn dư (ngay cả khi ta giải sử chất kia phản ứng hết).
Bài tập 1: Trong một bỡnh kớn dung tớch khụng đổi chứa a mol O2 và 2a mol SO2 ở 1000C, 10 amt (cú mặt xỳc tỏc V2O5). Nung núng bỡnh một thời gian, sau đú làm nguội bỡnh tới 1000C. Áp suất trong bỡnh lỳc đú là P. Thiết lập biểu thức tớnh P và tỉ khối (d) so với hiđro của hỗn hợp khớ trong bỡnh sau phản ứng theo hiệu suất phản ứng h. Hỏi P và d cú giỏ trị trong khoảng nào?
Hướng dẫn giải
Số mol hỗn hợp SO2 và O2: a + 2a = 3a mol Phản ứng: 2SO2 + O2 → 2SO3
Số mol SO2 tham gia phản ứng: 2ah mol Theo tỉ lệ phản ứng nhận thấy:
Cứ 2 mol SO2 phản ứng, làm số mol hỗn hợp giảm 1 mol.
Vậy khi 2ah mol SO2 phản ứng, làm số mol hỗn hợp giảm: ah mol ⇒ Số mol hỗn hợp sau phản ứng: 3a – ah = a(3 – h) mol
Áp dụng cụng thức: PV = nRT cho hỗn hợp ban đầu và hỗn hợp sau phản ứng ta cú: S S d d P n P 3(3 - h) h = hay: = P = 1 - P n 10 3a 3 ⇒ ữ Khi h = 0 ⇒P = 10 amt
Khi h = 1 ⇒P = 20 3 amt Do đú: 20 < P < 10
3
Khối lượng phõn tử trung bỡnh của hỗn hợp sau phản ứng 80.2ah + 64.2a(1 - h) + 32a(1 - h) 160
M = = a(3 - h) 3-h nờn 2 hh H 80 d = 3 - h 80 Khi h = 0 d = 3 ⇒ Khi h = 1 ⇒ d = 40
Vậy giới hạn của tỉ khối d: 80 < d < 40. 3
Bài tập 2: Một bỡnh kớn đựng oxi ở nhiệt độ t0C cú ỏp suất P1 (atm), sau khi phúng tia lửa điện để chuyển oxi thành ozon bỡnh được đưa về ở nhiệt độ ban đầu, ỏp suất khớ trong bỡnh lỳc này là P2. Tiếp tục dẫn khớ trong bỡnh qua dung dịch KI (dư) thu được dung dịch A và 2,2848 lớt khớ (đktc).
a. Tớnh hiệu suất của quỏ trỡnh ozon húa. Biết rằng để trung hũa dung dịch A cần dựng 150 ml dung dịch H2SO4 0,08M.
b. Tớnh P2 theo P1. Hướng dẫn giải
Phương trỡnh phản ứng: 3O2 → tia lửa điện 2O3 (1) 0,018 0,012
O2 + 2KI + H2O → 2KOH + I2 + O2 (2) 0,012 0,024 →0,012
2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O (3) 0,024 0,012
Số mol H2SO4: nH SO2 4 = 0,08 . 0,15 = 0,012 (mol)
Theo cỏc phương trỡnh (1), (2), (3): Số mol O2: O2 O2
3 3
n = n = . 0,012 = 0,018 (mol)
Số mol oxi dư và oxi sinh ra là: 2 O 2,2848 n = = 0,102 (mol) 22,4
Vậy số mol oxi ban đầu là: 2
O bđ
n = 0,018 + 0,102 - 0,012 = 0,108 (mol)
Hiệu suất quỏ trỡnh ozon húa là: H = 0,018 . 100% = 16,67%
0,108
b. Theo phương trỡnh trạng thỏi khớ lý tưởng. Nếu phản ứng xóy ra ở điều kiện nhiệt độ và thể tớch khụng đổi thỡ ta cú: 1 1 2 1 2 2 P n 0,108 = = P = 0,944P P n 0,102 ⇒ (với 1 2 1 2 n RT n RT P = , P = V V ).
Bài tập 3: Tớnh khối lượng lưu huỳnh cú thể điều chế được từ 800 gam hỗn hợp Na2SO4, MgSO4, CaSO4, biết rằng hiệu suất của quỏ trỡnh chỉ đạt 60% và trong thành phần hỗn hợp A, kim loại chiếm 25% khối lượng.
Hướng dẫn giải
Giả sử toàn bộ lượng sunfat đều chuyển thành lưu huỳnh ta cú sơ đồ: 2- 4
SO → S Khối lượng của ion sunfat cú trong A là: 2-
4 SO
m = 800 . 0,75 = 600 gam Khối lượng S tạo thành theo lý thuyết là: m = S 600.32
96 = 200 gam Khối lượng S thu được là: mS thực tế= 200 . 0,6 = 120 gam.
Bài tập 4: Nung hỗn hợp X gồm Fe và S trong một bỡnh kớn khụng cú khụng khớ, sau phản ứng với hiệu suất h% được hỗn hợp chất rắn Y. Hũa tan Y trong dung dịch HCl dư được hỗn hợp khớ Y1 cú dY /H1 2 = 9 và cũn lại 0,48 gam chất
rắn màu vàng khụng tan. Cho Y1 qua dung dịch nước brom, vừa hết 200 ml
dung dịch Br2 0,8M.
a. Tớnh khối lượng mỗi chất X và Y. b. Tớnh hiệu suất phản ứng.
Ta cú: M = 9.2 = 18Y1
Chứng tỏ rằng trong Y1 cú cả khớ H2 và H2S. Vậy Fe cũn dư sau phản ứng. Tuy nhiờn sau phản ứng vẫn cũn 0,48 gam chất rắn màu vàng, chứng tỏ rằng S vẫn cũn dư sau phản ứng.
Fe + S →t0 FeS (1)
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑ (2) FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑ (3)
H2S + 4Br2 + 4H2O → H2SO4 + 8HBr (4)
Gọi a là số mol mà Fe đó phản ứng ở (1), b là số mol Fe phản ứng ở (2). Ta cú: mBr2= 0,8 . 0,2 = 0,16 (mol) ⇒ nH S2 = a = 0,04
Và: M = Y1 34a + 2b
a + b = 18.nFe (1) = nH S2 = a= 0,04 ⇒ b = 0,04 mol
Vậy: ∑nFe = a + b = 0,04 + 0,04 = 0,08 (mol) ⇒ mFe = 0,08 . 56 = 4,48 gam
∑nS = a + 0 48 32 , = 0,04 + 0,015 = 0,055 mol ⇒ mS = 1,76 gam b. Theo phương trỡnh (1) thỡ H% = 0 04 100 0 055 , . % , = 72,7 %.
Bài tập 5: Tớnh lượng quặng pirit sắt cú chứa 70% FeS2 cần dựng để điều chế 50,176 lớt SO3 (đktc). Biết rằng hiệu suất của phản ứng đốt chỏy quặng là 95% và phản ứng oxi húa SO3 là 60%.
Hướng dẫn giải
PTPƯ: 4FeS2 + 11O2 →t0 2Fe2O3 + 8SO2 (1) 2SO2 + O2 V O2 5→ 2SO3 (2)
Từ sơ đồ trờn ta cú hiệu suất chung của toàn quỏ trỡnh H = 95 6 100 0 % . % % = 57% FeS2 H = 80%→ 2SO3 120 gam → 2 . 22,4 lớt ? ← 50,176 lớt ⇒ 2 FeS n = 120 . 50,176 44,8 = 134,4 gam mFeS (thực tế)2 = 134,4 . 100 57 = 235,79 gam
⇒ Khối lượng quặng pirit: 235,79 . 100
57 = 336,84 gam ⇒ 0,33684 kg.
Bài tập 6: Cho 16 gam O2 tỏc dụng với 80 gam SO2 trong thỏp tiếp xỳc người ta đó thu được 48 gam SO3. Tớnh hiệu suất của phản ứng oxi húa SO2.
Hướng dẫn giải 2 O n = 0,5 mol, 2 SO n = 1,25 mol; 3 SO n = 0,6 mol 2SO2 + O2 → 2SO3 Ban đầu 1,25 0,5 0 Phản ứng 0,6 0,3 0,6 Sau 0,65 0,2 ⇒ V = 1 25SO2 2 , = 0,625 > 0,5 = 0 5 1 , = VO2 Vậy O2 thiếu ⇒ nO p 2 = 1 2 nSO3= 0,3 mol; nSO p 2 = nSO3= 0,6 mol ⇒ Hiệu suất: H = 2 2 O (phản ứng) O (ban đầu) n n .100% = 60%.
Bài tập 7: Để điều chế axit sunfuric trong cụng nghiệp người ta đi từ 1,245 tấn quặng pirit sắt chứa 90% FeS2. Sau quỏ trỡnh phản ứng thu được 0,8 m3 axit sunfuric nguyờn chất (d = 1,8304 g/cm3). Tớnh hiệu suất của cả quỏ trỡnh tổng hợp trờn.
Hướng dẫn giải
2 4
H SO
m = d.V = 0,8 . 1,8304 = 1,46432 tấn
Dựa vào định luật bảo toàn số nguyờn tử S ta cú sơ đồ hợp thức: FeS2 → 2SO2 → 2H2SO4
120 2.98
? 1,46432 tấn
⇒ Khối lượng FeS2 thực tế tham gia phản ứng: 120 1 46432 0 896 2 98
. , ,
. = tấn
⇒ Hiệu suất của cả quỏ trỡnh tổng hợp trờn là: H = 0 896 .100 79 96 80
1 245 90
, % , % %. , . % = ≈
Bài tập 8: Mỗi ngày nhà mỏy sản suất 100 tấn H2SO4 98%. Hỏi mỗi ngày nhà mỏy tiờu thụ bao nhiờu tấn tinh quặng pirit chứa 96% FeS2 và hiệu suất điều chế H2SO4 là 98%.
Hướng dẫn giải
Lượng chất H2SO4 là mH SO 2 4 = 100.98% = 98 tấn Ta cú sơ đồ sau
FeS2 → 2SO2 → 2H2SO4 120 2.98 ? 98 tấn
⇒ mFeS (tham gia phản ứng)2 = 98.120
2.98 = 60 tấn
⇒ Khối lượng FeS2 cần dùng ban đầu: 60 100 3000
98 49
. = tấn ⇒ Khối lượng quặng pirit chứa 96% FeS2: 100 3000
96 . 49 = 63,78 tấn.
Bài tập 9: Từ 800 kg quặng pirit sắt (FeS2) chứa 25% tạp chất khụng chỏy, cú thể sản xuất được bao nhiờu m3 dung dịch H2SO4 93% (d = 1,83 g/cm3)? Giả thiết tỉ lệ hao hụt là 5%. Hướng dẫn giải Ta cú: mFeS2 = 800 . 0,75 = 600 (kg) H% = 100% - 5% = 95% Ta cú sơ đồ hợp thức FeS2 95%→ 2H2SO4 120 196 600 ? ⇒ 2 4 H SO m = 600.196.0,95 120 = 931 kg mdd H SO 2 4 = 931.100 93 = 1000 kg
Thể tớch dung dịch H2SO4 thu được là: V = 1000
1,83 = 546,45 m 3.
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM