Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học

Chia sẻ: Caphesuadathemhanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu đề tài này là đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập về Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi và kiến thức trong chương trình phổ thông sắp tới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỀ TÀI BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (Trang 1)
Năm học 20192020 (Trang 2)
ĐẶT VẤN ĐỀ I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Trong một số đề thi học sinh giỏi của khối 11 hằng năm của Hà Tĩnh và đặc biệt là trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể bộ môn Hóa học cải cách sắp tới được đề cập đến vấn đề năng lượng hóa học trong chương trình lớp 10, cân bằng hóa học trong chương trình lớp 11 và pin điện hóa trong chương trình lớp 12, đây là những lĩnh vực kiến thức quan trọng của bộ môn Hóa học. Vậy để học sinh có những kiến thức, kỹ năng tiếp cận lĩnh vực mới, ngoài tự học, tự sáng tạo của học sinh thì giáo viên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp các bài tập phù hợp với mức độ yêu cầu mới của chương trình. Trong quá trình giảng dạy đặc biệt là dạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi các cấp, cũng như chuẩn bị cho chương trình bộ môn hóa mới được áp dụng sắp tới, tôi thấy rằng có một số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâu kiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài liệu và việc tự học sinh nghiên cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là rất khó. Vì vậy thực tế yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho học sinh cũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh. Với ý định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập về “Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học” thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi và kiến thức trong chương trình phổ thông sắp tới. II. THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU: *Thực trạng : Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổ thông đặc biệt là trong các kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên, cũng như trang bị kiến thức bộ môn bắt buộc trong chương trình cải cách sắp tới. Vấn đề đặt ra là (Trang 3)
khi gặp một bài toán ở dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình cơ bản ( Bài toán nhiệt động và cân bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều khó khăn và thường không làm được. Vì vậy trong quá trình giảng dạy giáo viên phải rèn luyện nghiên cứu và giảng dạy thêm cho học sinh những kiến thức mới cũng như phương pháp giải các bài tập liên quan cho học sinh đặc biệt là những kiến thức nâng cao nhằm phục vụ cho các kỳ thi quan trọng. * Kết quả, hiệu quả: Kiến thức mới và tìm ra phương pháp giải các bài tập của học sinh còn nhiều hạn chế và chưa phù hợp với mức độ của các kỳ thi. Trước tình hình đó của học sinh tôi thấy cần thiết phải hình thành cho học sinh thói quen khi gặp các vấn đề mới mà trong chương trình phổ thông còn hạn chế thì giáo viên phải là người đưa ra các tình huống nhằm thúc đấy khả năng tự học kiến thức mới và đưa ra các phương pháp phù hợp. Do đó trong quá trình giảng dạy tôi có đưa ra hệ thống bài tập và phương pháp giải nhanh bài toán hóa học: Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa học. Trong sáng kiến kinh nghiệm này tôi muốn đưa ra một trong những phần kiến thức và một số bài tập cơ bản phù hợp với một số kỳ thi, cũng như kiến thức phổ thông trong chương trình cải cách sắp tới được đề cập trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể, đồng thời phân dạng một số bài tập về năng lượng hóa học. Nội dung được thiết lập và được sử dụng có hiệu quả, nó được hình thành phát triển và mở rộng thông qua nội dung kiến thức, sự tích lũy thành những kiến thức căn bản nhất cho học sinh trong chuyên đề. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Giáo viên sẽ tiến hành 2 phần riêng cho học sinh: PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: Trong phần này tôi chỉ cung cấp một số lý thuyết cơ bản cho học sinh về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa học phù hợp với khả năng tiếp cận của các em, đồng thời phân dạng bài tập về năng lượng hóa học và cách giải quyết các bài tập đó. (Trang 4)
I. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học. 1. Khái niệm hệ: Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian xác định. Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài. Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi trường ngoài. Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài. Hệ đồng thể là hệ mà trong đó không có sự phân chia thành các khu vực khác nhau với những tính chất khác nhau. Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất. Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau. 2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ: Các đại lượng dung độ (khuếch độ) là các đại lượng phụ thuộc vào lượng chất như khối lượng, thể tích …Các đại lượng này có tính chất cộng. Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng… II. Nguyên lý I nhiệt động học. 1. Nội dung. Nội dung của nguyên lý I nhiệt động học là sự bảo toàn năng lượng: “Năng lượng không thể sinh ra cũng như không thể tự biến mất mà chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác”. 2. Nội năng U và entanpi H Nội năng của một hệ là tổng năng lượng tồn tại bên trong của hệ, bao gồm: năng lượng hạt nhân, năng lượng chuyển động của electron trong nguyên tử, năng lượng liên kết, năng lượng dao động của các nguyên tử, năng lượng chuyển động của phân tử … Ta không thể xác định giá trị tuyệt đối nội năng U của hệ mà chỉ xác định được sự biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái (Trang 5)
khác. Giả sử ở trạng thái đầu 1, hệ nhận một nhiệt lượng là Q, sinh ra một công là W và chuyển thành trạng thái 2 thì biến thiên nội năng của hệ là: U = Q + W (Qui ước hệ nhận nhiệt thì Q > 0 và hệ sinh công thì W
ΔHT i : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở Ti 0K ΔCP: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp của các chất trong phản ứng. Nếu nhiệt dung của các chất không phụ thuộc vào nhiệt độ thì ΔCP = Const, khi đó: ΔHT2 = ΔHT1 + ΔCP.(T2 – T1) (3) III. Nguyên lý II nhiệt động học 1. Khái niệm entropi Về ý nghĩa vật lý, entropi là đại lượng đặc trưng cho mức độ hỗn độn phân tử của hệ cần xét. Mức độ hỗn độn của hệ càng cao thì entropi của hệ có giá trị càng lớn. Đối với quá trình thay đổi trạng thái vật lý của các chất thì nhiệt độ không thay đổi và nếu áp suất cũng không thay đổi thì biến thiên entropi của quá trình là: ΔS = (4) * Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là: S =  S (sản phẩm)  S (chất phản ứng) (5) Chú ý: Entropi tiêu chuẩn của đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn không phải bằng không. 2. Nội dung nguyên lý II nhiệt động học “Trong bất cứ quá trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ và môi trường xung quanh phải tăng”. 3. Năng lượng tự do Gibbs Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để đánh giá chiều hướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường xung quanh. Vì vậy, người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi của hệ để tìm điều kiện duy nhất xác định chiều diễn biến của các (Trang 7)
quá trình tự phát. Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa ra đại lượng mới là năng lượng tự do Gibbs và được định nghĩa: G = H – TS. Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì: ΔG = H –T.ΔS (6) Trong hệ thức này, ΔG, ΔH và ΔS đều chỉ liên quan đến hệ cần xét. ΔG gọi là biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp (thường nói gọn là biến thiên thế đẳng áp hoặc entanpi tự do hoặc năng lượng tự do Gibbs) là tiêu chuẩn để đánh giá quá trình có xảy ra hay không? Nếu ΔG 0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự xảy ra) 4. Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học a. Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất (ΔGo) Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất là biến thiên thế đẳng áp của quá trình hình thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn. Chú ý: ΔGo của các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn bằng không. (ΔGo các chất có trong các tài liệu tra cứu). b. Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học ΔG = ⅀ΔG (sản phẩm) ⅀ΔG(chất phản ứng) (7) ΔG = H – T. ΔS (8) IV. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng 1. Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay hấp thụ trong phản ứng đó. 2. Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt: a. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ: (Trang 8)
Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ΔHo của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn. Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ΔHo của đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn bằng không. Nhiệt phân huỷ của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân huỷ một mol chất đó thành các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn. Như vậy, nhiệt tạo thành và nhiệt phân huỷ của cùng một chất có giá trị bằng nhau nhưng trái dấu. b. Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất: Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy một mol chất đó bằng O 2 để tạo thành các sản phẩm ở dạng bền vững nhất ở điều kiện tiêu chuẩn. Nhiệt hoà tan của một chất: là hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan một mol chất đó. 3. Định luật Hess “Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu của các chất phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đường từ trạng thái đầu tới trạng thái cuối”. 4. Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng a. Phương pháp thực nghiệm: Phản ứng được thực hiện trong bom nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng giải phóng ra (phương pháp này thường dùng cho các phản ứng toả nhiệt) được nước hấp thụ và làm tăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T1 đến T2. Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau: Q = C (T2 – T1) (9) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K)) Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng. (Trang 9)
b. Phương pháp xác định gián tiếp. Trong phần này tôi đặc biệt lưu ý cho học sinh nhận dạng bài toán và vận dụng cách giải quyết cụ thể của từng dạng. Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các quá trình đã cho bằng các cách sau: (1) Dựa vào nhiệt sinh chuẩn của phản ứng. Nhiệt phản ứng bằng tổng nhịêt sinh của các chất sản phẩm trừ đi tổng nhiệt sinh của các chất tham gia. S S pu SP tg Nhiệt sinh của một chất là nhiệt phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững và áp suất nhất định. (2) Cộng đại số các quá trình. (3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm trừ tổng sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). S S pu SP tg Nhiệt sinh của một chất là nhiệt phản ứng tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở dạng bền vững và áp suất nhất định. Chú ý: Đối với một phản ứng tổng quát: a A + b B > c C + d D thì nhiệt phản ứng ∆ H bằng tổng nhiệt taọ thành (nhiệt sinh) của sản phẩm trừ tổng nhiệt tạo thành của chất tham gia. Trong đó nhiêt tạo thành của đơn chất = 0. ∆ H = {(c ∆ HC + d ∆ HD) – ( a ∆ HA + b ∆ HB)}. Không được nhầm lẫn giữa nhiệt tạo thành và năng lượng của sự phá vở liên kết trong phân tử của đơn chất. VD: Nhiệt tạo thành của H2 = 0. Nhưng năng lượng liên kết của phân tử H2 là 436 KJ/mol. (4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất: (Trang 10)
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia trừ tổng thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). Ch Ch pu Tg Sp Nhiệt cháy của một chất là nhiệt phản ứng cháy 1 mol chất đó với oxi để tạo thành các oxit cao nhất trong điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. (5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất cả các liên kết trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng). ∆ Hpu = Elk , Tham gia Elk , sp Xét phản ứng : a A + b B > c C + d D thì nhiệt phản ứng ∆ H tính bằng tổng năng lượng phá vở liên kết của các chất tham gia trừ cho tổng năng lượng phá vở các liên kết của các chất sản phẩm. ∆ H = {(a ∆ HA + b ∆ HB) – ( c ∆ HC + d ∆ HD)}. Trong đó các giá trị ∆ Hi là năng lượng phá vở các liên kết trong các phân tử tương ứng. V. Cân bằng hoá học 1. Hằng số cân bằng Xét phản ứng thuận nghịch: aA + bB  cC + dD Người ta đã thiết lập được biến thiên thế đẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng là: aCc .aDd ∆G = ∆G 0 + RT ln (10) a Aa .aBb trong đó: ∆G 0 : Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng. Nếu i là chất khí thì ai = Pi (là áp suất của chất i) Nếu i là chất tan trong dung dịch thì ai = Ci (là nồng độ của chất i) (Trang 11)
Nếu i là dung môi hoặc chất rắn thì ai = 1. Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì ΔG = 0, do đó: aCc .aDd ∆G 0 = − RT ln (11) a Aa .aBb Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, ΔG o là một hằng số nên từ (11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi là hằng số cân bằng nhiệt động, ký hiệu là Ka. aCc .aDd Ka = (12) a Aa .aBb aCc .aDd Đặt Q = (13) a Aa .aBb (Q được gọi là hàm hoạt độ hay thương số phản ứng) Từ (10) đến (13) suy ra: Q ΔG = RTln (14) Ka Do đó: Nếu Q Ka, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch Nếu Q = Ka, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng 2. Các biểu thức tính hằng số cân bằng a. Hằng số cân bằng theo áp suất (Kp) Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí: aA(k) + bB(k)  cC(k) + dD(k) PCc .PDd KP = a b (15). PA .PB (Trong đó Pi là áp suất riêng phần của chất i ở trạng thái cân bằng tình theo atm) Pi = xi.P = niRT/V b. Hằng số cân bằng theo nồng độ mol (KC) Xét phản ứng đồng thể (xảy ra trong dung dịch hay pha khí): (Trang 12)
aA + bB  cC + dD [ C ] .[ D ] c d KC = (16) [ A] . [ B ] a b (Trong đó [i] là nồng độ mol của chất i ở trạng thái cân bằng) Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì: KP = KC.(RT) Δn. (Δn = (c + d) – (a + b); R = 0,082) c. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hoá khử: Xét bán phản ứng: aOx + ne  bKh Ta có: ΔGo = RTlnK = nFEo F = > lgK = .nE 0 2,303.RT F 1 Ở 250C (2980K) thì = , khi đó 2,303.RT 0, 059 n.E 0 lgK = 0, 059 nE 0 = > K = 10 0,059 (17) 3. Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ. Ta có: Go = Ho – T. So = RTlnK ∆H 0 ∆S 0 = > lnK = + (18) RT R Gọi K1, K2 là hằng số cân bằng của phản ứng ở T10 K và T20 K Giả sử ΔHo và ΔSo của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì: ∆H 0 ∆S 0 lnK1 = + RT1 R ∆H 0 ∆S 0 lnK2 = + RT2 R (Trang 13)
K 2 ∆H 0 1 1 = > ln = ( − ) (19) K1 R T1 T2 4. Sự chuyển dịch cân bằng a. Khái niệm về sự chuyển dịch cân bằng Cân bằng hoá học là một cân bằng động, được đặc trưng bởi các giá trị hoàn toàn xác định của các thông số như nhiệt độ, nồng độ, áp suất của các cấu tử trong hệ. Nếu người ta thay đổi một hoặc nhiều thông số này thì trạng thái của hệ bị thay đổi, cân bằng hoá học của hệ bị phá vỡ. Sau một thời gian, hệ sẽ chuyển đến trạng thái cân bằng mới. Hiện tượng này gọi là sự chuyển dịch cân bằng. b. Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ các chất Xét phản ứng đồng thể đang ở trạng thái cân bằng: aA + bB  cC + dD Nếu tăng nồng độ chất phản ứng A, B hoặc giảm nồng độ chất tạo thành C, D thì Q K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Kết luận: Cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi nồng độ các chất. c. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất (nhiệt độ không thay đổi). Ở đây ta chỉ xét sự thay đổi áp suất chung của cả hệ đến sự chuyển dịch cân bằng. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất riêng của từng cấu tử giống như ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ. Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí: aA(k) + bB(k)  cC(k) + dD(k) Ta có: n > 0: Khi P tăng thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn. n
Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ ở trạng thái cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía có số phân tử khí ít hơn và ngược lại. n = 0: Sự thay đổi áp suất không làm chuyển dịch cân bằng. d. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ. Ta có: Go = Ho – T. So = RTlnK ∆H 0 ∆S 0 = > lnK = + RT R Ho, So thường ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên: Ho 0 (Phản ứng thu nhiệt) Khi T tăng thì lnK tăng, tức là K tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tức là chiều thu nhiệt. Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt và ngược lại. e. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier. Một phản ứng đang ở trạng thái cân bằng khi tác động các yếu tố bên ngoài ( Nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại các tác động đó. PHẦN 2: HƯỚNG DẪN HỌC SINH MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG: Một số bài tập nhiệt hóa học: Ví dụ 1: Người ta dùng hổn hợp nghiền mịn của nhôm và gỉ sắt (Fe3O4), thường gọi là hổn hợp tecmit để hàn các đồ kim loại vì khi đốt cháy hổn hợp tecmit giải phóng nhiệt độ lớn và gây nên nhiệt độ cao. Tính khối lượng tối thiểu của hổn hợp tecmit cần lấy để tạo ra 665,3 KJ nhiệt trong quá trình nhiệt nhôm, nếu nhiệt tạo thành của Fe 3O4 và Al2O3 lần lượt là ∆H = 1117 KJ/mol và ∆H = 1670 KJ/mol. Phân tích: Phản ứng: 3Fe3O4 + 8Al t0 4Al2O3 + 9Fe (Trang 15)
Bài toán đã đề cập đến nhiệt tạo thành (nhiệt sinh) của các chất trong phản S S ứng nên ta phải áp dụng công thức: pu SP tg , trong đó nhiệt tạo thành của đơn chất bằng không (0). Với tỷ lệ mol phản ứng là (3Fe3O4 + 8Al ) tương đương với 576g hỗn hợp ta có: ∆H pu = 4∆H tt ( Al2O3 ) − 3∆H tt ( Fe3O4 ) = 4(1670) [ 3(1117)] = 3329 KJ. Vậy để cần 665,3 KJ thì khối lượng hỗn hợp tối thiểu cần là m = 576. (665,3): (3329) = 115,113 (g) Ví dụ 2: Tính ∆ H của phản ứng: Cl2(k) + 2HI(k) > 2HCl(k) + I2 (k) . Biết năng lượng liên kết của Cl2, I2, HI, HCl lần lượt là 239; 149; 297 và 431 KJ/mol. Phân tích: Ta có phản ưng: Cl2(k) + 2HI(k) > 2HCl(k) + I2 (k) Đề ra đề cập đến năng lượng liên kết nên áp dụng công thức: ∆ Hpu = Elk , Tham gia Elk , sp => ∆ H = {2(431) + (149)} {2(297) + 239} = 1844 KJ. Giá trị ∆ H
1) H0 pu(1) = ∆H s ( Al O ,r ) ∆H s ( Fe O ,r ) = 1676 + 822,2 = 853,8(kJ) 0 0 2 3 2 3 2) H0 pu(2) = Ho pu(3) + 1/2H0 pu(4) = 296,6 1/2.195,96 = 394,58 (kJ) Kết luận: Hai phản ứng (1) , (2) đều tỏa nhiệt mạnh. Song thực tế 2 phản ứng trên không tự xảy ra. Như vậy chỉ dựa vào H không đủ để xác định chiều hướng của một quá trình hóa học. Ví dụ 4: Đèn xì axetilenoxi (đèn hàn oxi) được dùng rộng rải để hàn và cắt kim loại. Hỏi có thể dùng đèn metanoxi vào mục đích đó được không. Hỏi khi đốt cháy những thể tích như nhau của axetilen và metan thì lượng nhiệt trong đèn xì nào phát ra nhiều hơn và gấp bao nhiêu lần? Biết nhiệt tạo thành ∆H của CH4, C2H2, CO2 và H2O lần lượt là 75; +230; 393 và 286KJ/mol . Phân tích: Bài toán có đề cập đết nhiệt tạo thành (nhiệt sinh) nên ta áp dụng S S công thức: pu SP tg Nếu đốt cháy mỗi chất 1 mol thì ta có: CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O ∆ H1 = 2(286) +( 393) (75) = 890 KJ/mol. C2H2 + 5/2O2 > 2CO2 + H2O: ∆ H2 = (286) + 2(393) (230) = 1302 KJ/mol Ta thấy: ∆ H1/ ∆ H2 = 1302/890 = 1,46. Như vậy lượng nhiệt đốt cháy axetilen toả ra gấp 1,46 lần so với đốt cháy metan cùng số mol như nhau. Ví dụ 5: Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích của các phản ứng sau ở 250C. 0 a) Fe2O3(r) + 3CO(k)  2Fe(r) + 3CO2(k)  H 298 = 28,17 (kJ) 0 b) Cthan chì + O2(k)  CO2 (k)  H 298 = 393,1(kJ) 0 c) Zn(r) + S(r)  ZnS(r)  H 298 = 202,9(kJ) 0 d) 2SO2(k) + O2(k)  2SO3(k)  H 298 = 195,96 (kJ) Phân tích: Ta có biểu thức H = U + n.RT Do các phản ứng a), b), c) có n = 0 nên Uo = Ho Phản ứng d): Uo = Ho n.RT = 195,96+1.8,314. 298,15. 103 = 193,5 (kJ) (Trang 17)
Ví dụ 6: Xác định hiệu ứng nhiệt của quá trình oxi hóa: C (r) > CO (k) Biết C(r) + O2 (k) > CO2 (k) ∆H1 = 293,365 KJ/mol (1) CO (k) + 1/2O2 (k) > CO2 (k) ∆ H2 = 282,718KJ/mol (2) Phân tích: Bài toán giả thiết cho hiệu ứng nhiệt của nhiều phương trình phản ứng, nhưng lại tính hiệu ứng nhiệt của một quá trình khác nên đây là dạng bài tập tính theo phương pháp cộng đại số các quá trình. Ta lấy phương trình (1) trừ cho (2) vế theo vế ta được C(r) + 1/2O2 (k) > CO (k) ∆ H = ∆ H1 ∆ H2 = 259,415 (Kj/mol). Một số bài tập cân bằng hóa học: Ví dụ 1 : (Đề thi học sinh giỏi tỉnh khối 11 năm 20102011 của tỉnh Hà Tĩnh). Cho 1 (mol) PCl5 vào bình chân không thể tích V đưa lên nhiệt độ 5250K, phản ứng xảy ra theo phương trình: PCl5(k)  PCl3(k) + Cl2(k) (1) Được thiết lập với Kp = 1,86 và áp suất của hệ là 2 atm. a. Tính số mol mỗi chất tại cân bằng b. Cho 1 mol PCl5 và 1 mol He vào bình kín trên ở 5250K. Tính số mol mỗi chất tại cân bằng và cho nhận xét? Phân tích: Đề ra có đề cập đến hằng số cân bằng KP nên ta sử dụng công thức (15) PCc .PDd KP = a b PA .PB (Trong đó Pi là áp suất riêng phần của chất i ở trạng thái cân bằng tình theo atm a. PCl5(k)  PCl3(k) + Cl2(k) (1) Ban đầu 1 mol 0 0 Phản ứng: x mol x mol x mol Cân bằng 1x mol x mol x mol Vậy nhh sau phản ứng = (1x) + x + x = 1+x (mol) 1− x x x Ta có PPCl = .2; PPCl3 = .2; PCl2 = .2; 5 1+ x 1+ x 1+ x PPCl3 .PCl2 2x2 Áp dụng biểu thức KP = . Ta có = 1,86 = > x = 0,694 mol PPCl5 1 − x2 Vậy tại cân bằng số mol của các chất là (Trang 18)
PCl5( k ) : 0,306 mol PCl3( k ) : 0, 696 mol Cl2( k ) : 0, 694 mol b. Tại cân bằng câu a ta có nhh sau = 1+ x (1 + x).0.082.525 Nên V(bình) = = 36, 44 lít Phê vậy theo câu b, nếu có thêm 1 mol He thì nhh sau = 2+x (2 + x).0, 082.525 Phệ = . 36, 44 Tương tự chúng ta tính được PPCl ; PPCl và PCl tại cân bằng, thay vào Kp của hệ 5 3 2 nữa ta có biểu thức: x 2 0, 082.525 . = 1,85 1 − x 36, 44 Giải phương trình ta được x = 0,692 mol( t/mãn) Vậy tại cân bằng mới thì số mol của các chất là: PCl5( k ) : 0,308 mol PCl3( k ) : 0, 692 mol : Cl2( k ) : 0, 692 mol Kết luận: Bài toán đúng với nguyên lý chuyển dịch cân bằng hóa học Ví dụ 2: Có cân bằng : CO(K) + H2O(Hơi)  H2(K) + CO2(K) (1) Cho vào bình phản ứng 6 (mol) hơi H2O và 1 mol CO ở 4600C thì thấy có 95% CO đã phản ứng. a. Tính Kp của cân bằng trên ở 4600C b. Cho ΔH của phản ứng ở nhiệt độ trên là – 41,0 (KJ/mol). Tìm nhiệt độ mà tại đó có 99% CO bị phản ứng? Lời giải: a. CO(K) + H2O(Hơi)  H2(K) + CO2(K) (1) Ban đầu 1 mol 6 mol 0 0 Phản ứng: 0,95 0,95 0,95 0,95 mol Cân bằng 0,05 5,05 0,95 0,95 mol (Trang 19)
PCO2 .PH 2 nCO2 .nH 2 Ta có KP = = . Do ∆n = 0 PCO .PH 2O nCO .nH 2O Thế các giá trị vào ta có : Kp = 3,574 b. Ta có ở nhiệt độ 4600C có Kp1 = 3,574 0,99.0,99 Tương tự ở t20C ta có với 99% CO bị phản ứng thì : Kp2 = = 19,56 0, 01.5, 01 K 2 ∆H 0 1 1 Áp dụng công thức (19) ta có ln = ( − ) K1 R T1 T2 Với K2 = 19,56 ở t20C và K1 = 3,574 ở 4600C ta có 19,56 −41, 0 1 1 = > ln = ( − ). 3,574 8,134 460 + 273 t2 + 273 Giải phương trình ta thu được t2 = 5850C. Ví dụ 3. (Đề thi casio khu vực năm 20112012): Cho cân bằng : N2(k) + 3H2(k)  2NH3(k) ΔH = 92KJ/mol Nếu xuất phát từ hỗn hợp ban đầu là N2 và H2 theo đúng tỉ lệ mol là 1: 3 thì khi đạt đến trạng thái cân bằng ở 4500C và 300 atm, NH3 chiếm 36% thể tích hỗn hợp. a. Tính hằng số Kp của cân bằng trên? b. Tiến hành như trên vẫn ở nhiệt độ 4500C, cần phải tiến hành ở áp suất bao nhiêu để khi đạt cân bằng NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? c. Giữ áp suất không đổi ở 300 atm vậy cần phải tiến hành ở nhiệt độ bao nhiêu để khi cân bằng NH3 chiếm 50% thể tích hỗn hợp? Lời giải: a. Giả sử số mol sau phản ứng là 1 mol. Vậy số mol của NH 3, N2, H2 lần lượt là: 0,36 ; 0,48 và 0,16 mol tương ứng với x3 , x2 , x1 (mol) x32 0,362 Thay vào biểu thức KP = 3 2 = 3 2 = 8,138.10−5 x1.x2 .P 0,16.0, 48 .300 b. Theo điều kiện cân bằng khi NH3 chiếm 50% thể tích (hay số mol) hỗn hợp thì: Vậy số mol của NH3, N2, H2 lần lượt là : x3 = 0,50 ; x1 = 0,125 và x2 = 0,375. Vì ở nhiệt độ không đổi nên Kp không đổi, thay vào biểu thức Kp ta có: (Trang 20)