Bài toán nhiệt hóa học và cân bằng hóa họcskkn hóa học thpt

  • Số trang: 26 |
  • Loại file: DOC |
  • Lượt xem: 15 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 24000 tài liệu

Mô tả:

BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC A. ĐẶT VẤN ĐỀ I. LỜI MỞ ĐẦU: Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên là làm sao có thể phát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tư duy một cách tốt nhất đặc biệt là trong bộ môn hóa học ( môn học nghiên cứu và sáng tạo). Việc vận dụng các kiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quá trình rất tốt để học sinh có thể phát triển tư duy cho học sinh. Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế 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 của các kỳ thi. 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, 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 (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các cấp về bài toán nhiệt hóa học- cân bằng hóa học . Dĩ nhiên phương pháp này nó là sự kết hợp giữa lý thuyết mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổ thông. 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 . Vấn đề đặt ra là khi gặp một bài toán ở dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình 1 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 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: Với thực trạng nêu trên với những học sinh có kỹ năng tốt sẽ suy luận để đưa ra những cách giải hợp lý không không giải được. Từ đó ta thấy việc học sinh tự tìm hiểu các 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 một phương pháp giải nhanh bài toán hóa học : Bài toán nhiệt hóa học – 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. 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. 2 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC B. CÁC BIỆN PHÁP THỰC HIỆN: - Giáo viên sẽ tiến hành 2 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 về nhiệt phản ứng và cân bằng hóa học A. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học I. Hệ: 1. Khái niệm: * 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… B. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng I. Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay hấp thụ trong phản ứng đó. 3 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC II. Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt: 1. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:  Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn Ho 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 Ho 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. 2. Nhiệt cháy (thiêu nhiệt) của một chất: là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy một mol chất đó bằng O2 để tạo thành các sản phẩm ở dạng bền vững nhất ở điều kiện tiêu chuẩn. 3. Nhiệt hoà tan của một chất: là hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan một mol chất đó. III. 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”. IV. Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng 1. Phương pháp thực nghiệm: Trong phòng thí nghiệm hoá học, người ta có thể xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học bằng cách dùng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế. Nhiệt lượng kế được bố trí sao cho không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Nó gồm một thùng lớn đựng nước, trong đó nhúng ngập một bom nhiệt 4 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC lượng kế, đây là nơi thực hiện phản ứng hoá học. Trong thùng còn đặt một nhiệt kế để đo sự thay đổi nhiệt độ của nước và một que khuấy để để duy trì cân bằng nhiệt trong cả hệ. 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 T 1 đến T2. Ta xác định được nhiệt lượng toả ra Q như sau: Q = C(T2 – T1) (1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K)) Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng. 2. Phương pháp xác định gián tiếp. 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 chu trình nhiệt hoá học. (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). (4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất: 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). (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). B. Nguyên lý I nhiệt động học 5 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC I. 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”. II. 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 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 < 0). * Nếu phản ứng xảy ra trong bình kín, dung tích không đổi (quá trình đẳng tích) thì W = 0, khi đó: QV = U. * Nhưng nhiều phản ứng được thực hiện ở áp suất không đổi là áp suất khí quyển (quá trình đẳng áp), khi đó: W = - P.V U = QP – P.V QP = U + P.V QP = (U2- U1) + P(V2 – V1) QP = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Người ta gọi (U + PV) là entanpi, ký hiệu là H. Do đó : QP = H2 – H1 = H Khi áp suất không đổi, lượng nhiệt QP đúng bằng biến thiên entanpi H. III. Quan hệ giữa QP và QV 6 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 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 của chất khí, thể tích mol của chất rắn và lỏng rất nhỏ, không đáng kể. Do đó, biến thiên thể tích của chất rắn và lỏng trong các phản ứng hoá học được coi bằng không. Vì vậy, khi xét công cơ học ta chỉ chú ý đến biến thiên thể tích của các chất khí. IV. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ. Định luật Kirchoff T2 HT 2 = HT 1 + C P dT T1 (3) trong đó: HT i : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở Ti K CP: 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 CP = Const, khi đó: HT 2 = HT 1 + CP(T2 – T1) (4) C. Nguyên lý II nhiệt động học 7 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC I. 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: 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 của đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn không phải bằng không. II. 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”. III. 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 quá trình tự 8 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 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: G = H –T.S (7) Trong hệ thức này, G, H và S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét. G 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 G < 0 thì quá trình tự xảy ra. Nếu G = 0 thì hệ ở trạng thái cân bằng. Nếu G > 0 thì quá trình không xảy ra (nhưng quá trình ngược lại sẽ tự xảy ra) IV. Biến thiên thế đẳng áp trong các phản ứng hoá học 1. Thế đẳng áp hình thành tiêu chuẩn của một chất ( Go) * 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: Go của các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện tiêu chuẩn bằng không. (Go các chất có trong các tài liệu tra cứu). 2. Biến thiên thế đẳng áp của phản ứng hoá học G =  G (sản phẩm) -  G (chất phản ứng) (8) G = H – T.S 9 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (9) * Chú ý:  Người ta qui ước tại mọi nhiệt độ, Ho(H+.aq) = 0 và Go(H+.aq) = 0, nghĩa là phản ứng: 1/2H2(k) - 1e + H2O  H+(aq) có Ho = 0 và Go = 0 Từ đó xác định được Ho và Go của các ion khác trong dung dịch.  Người ta cũng thống nhất qui ước So(H+.aq) = 0 tại mọi nhiệt độ và từ đó cũng lập được bảng So cho các ion khác trong dung dịch. D. Cân bằng hoá học I. 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: G = G + RTln o a C .a D c d a b a A .a B (10) trong đó: Go: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng. ai: Hoạt độ cấu tử i. - Nếu i là chất khí thì ai = Pi / Po (Po là áp suất tiêu chuẩn và bằng 1 atm) - Nếu i là chất tan trong dung dịch thì a i = Ci / Co (Co là nồng độ tiêu chuẩn và bằng 1M) - Nếu i là dung môi hoặc chất rắn thì ai = 1. Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng thì G = 0, do đó:  aC c .a D d Go = - RTln  a b  a A .a B   (11) (CB chỉ các cấu tử ở trạng thái cân bằng)   CB 10 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, Go 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.  aC c .a D d Ka =  a b  a A .a B     CB (12) (Khi không sợ nhầm lẫn thì không cần ghi ký hiệu CB ở chân) Đặt Q = aC .a D c d a b a A .a B (13) (Q được gọi là 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 ra theo chiều thuận * Nếu Q > Ka, phản ứng xảy ra theo chiều nghịch * Nếu Q = Ka, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng II. Các biểu thức tính hằng số cân bằng 1. Hằng số cân bằng theo áp suất (Kp) Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong 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 của cấu tử i ở TTCB tính theo atm) Pi = xi.P = niRT/V 2. Hằng số cân bằng theo nồng độ mol (KC) 11 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Xét phản ứng đồng thể (xảy ra trong dung dịch hay pha khí): aA + bB cC + dD  C  c . D  d KC =  A a . B  b (16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB) * Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì: KP = KC.(RT)n (17) (n = (c + d) – (a + b); R = 0,082) 3. 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 ra trong pha khí thì: KP = Kx.(P)n (19) (P: Ấp suất chung của hệ) KP phụ thuộc vào nhiệt độ nên từ (19) cho thấy K x không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào cả áp suất chung của hệ. Chỉ trong trường hợp n = 0, Kx = Kp, thì Kx mới không phụ thuộc vào áp suất chung của hệ. * Chú ý: Khi n = 0 thì: KP = KC = Kx 4. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hoá khử: Xét bán phản ứng: aOx + ne bKh Ta có: Go = -RTlnK = -nFEo  lgK = F 2,303.RT nEo 12 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC F 2,303.RT Ở 25oC (298K) thì lgK = = 1 0,059( 2) , khi đó: 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 1 cKh2 - me dOx2 K2 = 10 – mE 2 maOx1 + ncKh2 o /0,059 mbKh1 + ndOx2 Xm Xn K = 10 mn(E 1 o -E 2 o )/0,059 III. Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ Ta có: Go = Ho – T.So = - RTlnK  lnK = - H o RT + S o R Gọi K1, K2 là hằng số cân bằng của phản ứng ở T1K và T2K Giả sử Ho và So của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ thì: lnK1 = lnK2 = -  ln H o RT1 H o RT2 + + S o R S o R K2 H  1 1 (  ) = R T1 T2 K1 (21) (Công thức Van’t Hoff) IV. Sự chuyển dịch cân bằng 13 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 1. 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. 2. 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 thuận. * Nếu giảm nồng độ chất phản ứng A, B hoặc tăng nồng độ chất tạo thành C, D thì Q > K nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Kết luận: Cân bằng chuyển dich theo chiều chống lại sự thay đổi nồng độ các chất. 3. 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: Kx = Kp(P)-n (P: Áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng) *  n > 0: Vì KP là hằng số ở nhiệt độ xác định nên khi P tăng thì K x giảm, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn. *  n < 0: 14 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Khi P tăng thì Kx tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận hay là chiều có số phân tử khí ít hơn. 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: Khi đó, Kx = Kp, Kx không phụ thuộc vào áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng nên sự thay đổi áp suất không làm chuyển dịch cân bằng. 4. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ Ta có: Go = Ho – T.So = - RTlnK  lnK = - H o RT + S o R Ho, So thường ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên: *  Ho < 0 (Phản ứng toả nhiệt): Khi T tăng thì lnK giảm, tức là K giảm, suy ra cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, tức là chiều thu nhiệt. *  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. 5. 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: 15 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC * Một số bài tập nhiệt hóa học: Ví dụ 1: Tính (a): H S , 2980 C 1 2 H2 + 1 2 cña Cl-(aq). Biết: Cl2(k)  HCl(k) (b): HCl(k) + aq  H+(aq) + Cl-(aq) (c): 1 2 H2 + aq  H+(aq) + e H S , 2980 C = -92,2(kJ) H S , 2980 C = -75,13(kJ) H So, 298 =0 Lời giải: Lấy: (a) + (b) – (c) ta được : 1 2 Cl2 + e + aq = Cl-(aq) H S , 2980 C = - 167,33(kJ) Ví dụ 2: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng : 3Fe(NO3)2(aq) + 4HNO3(aq)  3Fe(NO3)3(aq) + NO(k) + 2H2O (l) Diễn ra trong nước ở 250 C. Cho biết: Fe2+(aq) H S , 2980 C (kJ/mol) -87,86 Fe3+(aq) NO3-(aq) NO(k) H2O(l) - 47,7 -206,57 90,25 -285,6 Lời giải: Phương trình ion của phản ứng : 3Fe2+(aq) + 4H+(aq) + NO3-(aq)  3Fe3+(aq) + NO(k) + 2H2O (l)  H=3. H 0 S , 298 (Fe3+,aq)+ H 0 S , 298 (NO)+2. H 0 S , 298 (H2O(l))-3. H 0 S , 298 (Fe2+,aq)- H 0 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 của các phản ứng sau: 1) Fe2O3(r) + 2Al(r)  2Fe(r) + Al2O3(r) ( 1) 16 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Cho biết H 0 S , Fe2O3r = -822,2 kJ/mol; 2) S(r) + 3 2 O2(k)  SO3(k) Biết: (3) : S(r) + O2(k)  (4): 2SO2(k) + O2(k) H 0 S , Al2O3 r = -1676 (kJ/mol) (2) H 0 298 = -296,6 kJ SO2(k)  2SO3(k) H 0 298 = -195,96 kJ Từ kết quả thu được và khả năng diễn biến thực tế của 2 phản ứng trên có thể rút ra kết luận gì? Lời giải: 1) 2) o H pu (1) o H pu ( 2) 0 0 = H S , Al2O3 r - H S , Fe2O3r = -1676 + 822,2 = - 853,8(kJ) = o H pu ( 3) + 1 H o pu ( 4 ) 2 1 = -296,6 - 2 .195,96 = -394,58 (kJ) KL: 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: Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích tiêu chuẩn của các phản ứng sau ở 250C a) Fe2O3(r) + 3CO(k) b) Cthan ch× + O2(k) c) Zn(r) + S(r) 2Fe(r) + 3CO2(k)  CO2 (k)  d) 2SO2(k) + O2(k)  ZnS(r)  2SO3(k) H 0 298 = 28,17 (kJ) H 0 298 = -393,1(kJ) H 0 298 = -202,9(kJ) H 0 298 = -195,96 (kJ) Lời giải: 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. 10-3 = -193,5 (kJ) 17 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC * Một số bài tập cân bằng hóa học: Ví dụ 1 : Cho 1 (mol) PCl5 vào bình chân không thể tích V đưa lên nhiệt độ 5250K : 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 525 0K. Tính số mol mỗi chất tại cân bằng và cho nhận xét? Lời giải: PCl5(k)  PCl3(k) + Cl2(k) 0 (1) Ban đầu 1 mol 0 Phản ứng: x mol x mol x mol Cân bằng 1-x mol x mol x mol Vậy nhh sau phản ứng = (1-x) + x + x = 1+x (mol) Ta có PPCl 5 = 1 x .2 1 x ; pPCl 3 = Áp dụng biểu thức : Kp = x .2 1 x PPCl3 .PCl2 PPCl5 và PCl 2 = . Ta có 2x 2 1 x2 x .2 1 x = 1,86 Giải phương trình ta có x = 0,694(mol) Vậy tại cân bằng số mol của PCl5(k) ;PCl3(k) và Cl2(k) lần lượt là: 0,306 ; 0,694 và 0,694 mol b, Tại cân bằng câu a ta có nhh sau = 1+ x nên V(bình) = (1  x).0,082.525 Phê = 36,44 (lít) vậy theo câu b, nếu có thêm 1 mol He thì nhh sau = 2+x 18 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Phệ = (2  x ).0,082.525 . 36,44 Tương tự chúng ta tính được P PCl 5 ; PPCl 3 và PCl 2 tại cân bằng, thay vào Kp của hệ nữa ta có biểu thức: 0,082.525 x2 . 36,44 1 x = 1,85. Giải phương trình ta được x = 0,692 mol( t/mãn) Vậy tại cân bằng mới thì số mol của PCl5(k) ;PCl3(k) và Cl2 lần lượt là 0,308; 0,692 và 0,692 mol KL: 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 H 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: CO(K) + H2O(Hơi)  H2(K) + CO2(K) (1) a. 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 PCO 2 .PH 2 nCO 2 .n H 2 Ta có Kp = P .P = n .n CO H 2O CO H 2O Do n =0 Thế các giá trị vào ta có : Kp = 3,574 b. Ta có ở nhiệt độ 4600C có Kp1 = 3,574 Tương tự ở t20C ta có với 99% CO bị phản ứng thì : Kp2 = ln 0,99.0,99 0,01.5,01 = 19,56 K2 H  1 1 (  ) = R T1 T2 K1 19 BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Áp dụng biểu thức (21) ta có : Với K2 = 19,56 ở t20C và K1 = 3,574 ở 4600C ta có 19,56 ln 3,574 =  41,0 8,134 1 ( 460  273 - 1 t 2  273) . Giải phương trình ta thu được t2 = 5850C Ví dụ 3(Đề thi casio khu vực năm 2011-2012): Cho cân bằng : N2(k) + 3H2(k)  2NH3(k)  H = -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 300atm, 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 450 0C, 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 300atm 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) Thay vào biểu thức Kp = x 23 3 x1 x 2 .p 2 = 0,36 2 0,16.0,48 3.300 2 = 8,138.10-5 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: 20
- Xem thêm -