Tài liệu Skkn phương pháp giải bài tập về cân bằng hóa học dành cho học sinh phổ thông không chuyên

BM 01-Bia SKKN SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Đơn vị :THPT Xuân Hưng Mã số: ................................ (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi) SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC DÀNH CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG KHÔNG CHUYÊN Người thực hiện: NGUYỄN QUÓC BẠCH Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học bộ môn: .............................  (Ghi rõ tên bộ môn) - Lĩnh vực khác: .......................................................  (Ghi rõ tên lĩnh vực) Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN  Mô hình  Đĩa CD (DVD)  Phim ảnh  Hiện vật khác (các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm) Năm học: 2015-2016 BM02-LLKHSKKN SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC –––––––––––––––––– I. THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 1. Họ và tên: Nguyễn Quốc Bạch 2. Ngày tháng năm sinh: 28/06/1968 3. Nam, nữ: Nam 4. Địa chỉ: Xã Suối Cát, Huyện Xuân Lộc, Tỉnh Đồng Nai 5. Điện thoại: 0613.756081 (CQ)/ (NR); ĐTDĐ:0918805453 6. Fax: E-mail: [email protected] 7. Chức vụ: Giáo viên 8. Nhiệm vụ được giao : Giáo viên giảng dạy môn hóa và chủ nhiệm lớp 12C6 9. Đơn vị công tác: THPT Xuân Hưng II. TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO - Học vị : Cử nhân - Năm nhận bằng: 2005 - Chuyên ngành đào tạo: Hóa Học III. KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Hóa vô cơ Số năm có kinh nghiệm: 10 năm - Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây: 2 BM03-TMSKKN Tên SKKN PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC DÀNH CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG KHÔNG CHUYÊN I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Là một trường có chất lượng đầu vào thấp nên việc tiếp thu kiến thức còn hạn chế . Để nâng cao chất lượng dạy học trong nhà trường là một công việc rất khó cho giáo viên trường tôi .Chính vị thế mà mỗi giáo viên phải luôn tìm phấn đấu thực hiện nội dung và phương pháp sao cho phù hợp với lực học của các em nhằm kích thích sự hứng thú và nâng cao tính tự học của học sinh. Với bộ môn hóa đây là môn khoa học thực nghiệm đòi hỏi tính tư duy nhiều hơn trong lý thuyết và thực hành .Đặc biệt là trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi đối với trường tôi rất khó khăn trong việc chọn nguồn học sinh .Với lượng kiến thức đã có sẳn mà tôi đã tham khảo dùng để dạy cho học sinh trường tôi trở thành không phù hợp và quá nặng dẫn đến đạt kết quả không cao. Thực trạng là một giáo viên dạy ở trường không chuyên và chỉ dạy chương trình cơ bản .Mỗi khi đến thời điểm bồi dưỡng học sinh giỏi thì có liên quan kiến thức ở phần cân bằng hóa học trong các pha lỏng và pha khí . Với lượng kiến thức chỉ dạy cơ bản nên mỗi xem lại thì giáo viên trường tôi rất ngại và chỉ dạy cho qua mà thôi. Chính vì thế nhờ qua nhiều năm có tham gia , bản thân cũng đã rút ra một số kinh nghiệm trong giảng dạy phần này nên tôi muốn nêu ra một số kinh nghiệm để làm giáo án cho tổ thực hiện dạy học cho các năm sau . II. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN a) Lý thuyết và bài tập vể cân bằng hóa học là một trong những nội dung kiến thức mả học sinh phổ thông rất khó lĩnh hội vì trong chương trình lớp 10 chỉ biết sơ qua những kết quả đã có . Về bản chất học sinh còn ngỡ ngàng trong cách giải quyết vấn đề , chưa hình thành nên cho mình kĩ năng làm dạng bài tập này .Đọc lý thuyết về cân bằng nhiệt- động của của các tác giả viết sách cho sinh viên đại học các em càng thấy e ngại hơn , vượt quá sức của các em đặt biệt là các em học sinh ở các trường THPT không chuyên. b)Chính vì gặp khối lượng kiến thức nhiều như thế nên phần lớn giáo viên không biết nên dạy kiến thức nào cho phù hợp với học sinh của mình . Giáo viên chưa chưa chuẩn bị tốt hệ thống phần lý thuyết và chưa xây dựng được các bài tập vừa chuyên sâu vừa phù hợp với học sinh , nhằm đảm bảo học sinh nắm bắt được những điều cơ bản nhất từ đó giúp các em có sự tự tin hơn khi gặp phần này. Qua một thời gian tham gia bồi dưỡng học sinh giỏi của trường bản thân đã rút ra một số kinh nghiệm trong quá trình soạn về lý thuyết và bài tập cho chuyên đề cân bằng hóa học ,giúp các em nắm được lý thuyết vừa sức của mình để giải quyết các bài tập thường có trong các đễ thi HSG cho trường không chuyên .Phần nào cũng đã đáp ứng được cho học sinh và kết quả cũng đã tốt hơn các năm trước Từ những tài liệu hiện có tôi đã biên soạn lại về hệ thống lý thuyết cũng như bài tập một cách dễ hiểu hơn để học sinh tự nghiên cứu được từ đó phát triển tư duy của các em ,đồng thời là giáo án bồi dưỡng HSG cho tổ bộ môn III. TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP. 3 1.Giải pháp thực hiện a)Hệ thống hóa lại phần lý thuyết: -Đơn giản hóa phân kiến thức sao cho đảm bảo vừa đủ và phù hợp với học sinh trường mình qua các nội dung : +Khái niệm về phản ứng thuận nghịch +Hằng số cân bằng trong phản ứng thuận nghịch +Lý luận và chứng minh các hằng số cân bằng Kp,Kc,KN,Kx +Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng +Khái niệm một số đại lượng có liên quan như : Hiệu ứng nhiệt , entropi, năng lượng tự do Gibbs, bậc phản ứng +Cân bằng hóa học trong các phản ứng oxi hóa-khử +Pin điện hóa +Một số vấn đề về động hóa b)Hệ thống bài tập : - Xây dựng sát với từng phần và có hướng dẫn giải cho mỗi ví dụ -Xây dựng hệ thống bài tập tự luyện cho học sinh 2.Quá trình thực hiện : -Khi chưa có giải pháp này ,các giáo viên thường chọn bài tập theo dạng rồi giải mẫu cho học sinh .Sau đó học sinh dựa vào đó mà làm , học sinh bị hỏng kiến thức chỗ nào thì giáo viên hướng dẫn tiếp .Học sinh có lúc giải được có lúc không làm được ,kiến thức cho các em không vững và luôn mang yếu tố may mắn nên các em thường nói sao khó quá. Khi tôi phát tài liệu này thì các em rất thích và đã có tự tin hơn và giải quyết từng vấn đề chắc chắn hơn và đã có được những giải nhì HSG cấp tỉnh mà trước kia chưa có . -Quá trình lên lớp tôi thấy nhẹ nhàng hơn không còn phải giải quyết nhiều vấn đề mà lúc nào cũng lặp đi lặp mà học sinh vẫn không hiểu dẫn đến không hiệu quả . -Giảm bớt tính hàn lâm quá nhiều làm nặng nề cho học sinh mà lúc trước kia tôi hay vấp phải làm học sinh nản lòng . IV.NỘI DUNG CỦA GIẢI PHÁP 1.Phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng hoá học. - Phản ứng thuận nghịch: Là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau, trong đó các chất đem phản ứng tác dụng với nhau tạo sản phẩm, đồng thời các chất sản phẩm tác dụng với nhau tạo chất ban đầu. aA + bB   cC + dD VD: N2(k) + 3H2(k)   2NH3(k) H2(k) + I2(k)   2HI(k) 4 - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái mà ở đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (Vthuận = Vnghịch) ( Hay nồng độ các chất không đổi), nhưng phản ứng vẫn xảy ra bình thường. *Vận tốc phản ứng thuận vthuận= k1. [A]a.[B]b *Vận tốc phản ứng nghịch vnghịch=k2.[C]c. [D]d 2. Hằng số cân bằng của phản ứng: Phản ứng: aA + bB   cC + dD Khi phản ứng cân bằng lúc đó : Vthuận = Vnghịch  k1. [A]a.[B]b = k2.[C]c. [D]d [C ]c .[ D]d k1   = kcb [ A]a .[ B]b k2  C  . D  a b  A .  B  c Kcb = * Một số chú ý: Phản ứng nghịch: d - Đối với chất rắn nồng độ = 1 - Kcb chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ aA + bB   cC + dD (1) Kcb1 1 cC + dD   aA + bB Kcb2 = K cb1 3. Các hằng số cân bằng Kp, Kc, KN. a)Xét phản ứng: aA + bB   cC + dD (*). Nếu phản ứng ở pha khí ta nhận thấy, trong biểu thức của hằng số cân bằng (*), thành phần của các chất tham gia phản ứng ở trạng thái cân bằng được biểu thị qua các áp suất riêng phần Pi của chúng, vì vậy hằng số cân bằng được ký hiệu là Kp. PCc .PDd Kp = a b PA .PB Nồng độ của một chất được biểu thị bằng hệ thức: C i = ni ( mol/ l), trong đó ni là V số mol chất của i và V là thể tích chung của hỗn hợp. Mặt khác, ta cũng đã biết, đối với khí lý tưởng: P i = ni RT  Ci RT, vậy áp V suất riêng phần của chất A,B,C,D lần lượt là : PA = CA. RT, PB = CB. RT, PC = CC. RT, PD = CD. RT. Thay các giá trị này vào (1) ta có. PCc .PDd CCc .CdD ( RT )c .( RT ) d KP  a b  a b . PA .PB C A .C B ( RT )a .( RT )b (1) b)Nếu thành phần của các chất tham gia phản ứng được biểu thị bằng nồng độ C thì hằng số trên được ký hiệu là KC. c d CC .C D [C ]c .[ D]d KC = a b  a b C A .C B [ A] .[ B ] (2) Như vậy hệ thức (1) có thể viết: KP = KC. ( RT )( c  d ) ( a  b ) 5 Hay KP = KC (RT) n (3) Với  n = (c + d) - ( a + b). Đó là hệ thức liên hệ giữa K P và KC. Ta cần lưu ý rằng, vì ở đây P thường tính ra atm, V tính ra lít nên: P0 V0 1.22, 4 R = T  273.15 = 0,0823. atm / mol. K 0 c)Tính hằng số cân bằng theo nồng độ mol phần là KN ni N Cc .N Dd KN= a b Trong đó nồng độ mol phần : Ni= n  n  n  n N A .N B A B C D Mà PA=NA.P , PB=NB.P , PC=NC.P , PD=ND.P (P là áp suất chung của hệ ) c  d  PC   PD  c d  P  . P  Kp      PC .PD .P ( ab )( cd ) KN= = a b PAa .PBb P ( c  d )  ( a b )  PA   PB    .  P P Suy ra Kp=KN. P n n Kp= KN. P = c C a A d D b B n .n n .n nEe .nQq P n [ ]  Kn  a b nA .nB  ni ni : Số mol của các chất P : Áp suất chung của phản ứng Nếu n =0 thì Kp=Kc=KN=Kn * Áp suất riêng phần của từng chất : PA=NA.P PB=NB.P PC=NC.P PD=ND.P 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển dịch cân bằng Khái niệm: Cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. * Ảnh hưởng của nồng độ. - Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng, thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó. Lưu ý: Nếu trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất) thì việc thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng) nghĩa là cân bằng không chuyển dịch ( trừ trường hợp việc thêm hoặc bớt này gây ra sự biến đổi áp suất chung của hệ. * Ảnh hưởng của áp suất. Khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng thì bao giờ cân cũng chuyển dịch theo làm giảm tác động của việc tăng hay giảm áp suất đó. * Ảnh hưởng của nhiệt độ. Ta có: H N = - a aA   b.B H T = a H < 0 phản ứng toả nhiệt  t 0  H > 0 phản ứng thu nhiệt  t 0  Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt nghĩa là chiều làm tác động của việc tăng nhiệt độ, và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt, chiều làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ. 6 * Vai trò của chất xúc tác. Chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và cũng không làm biến đổi hằng số cân bằng, nên không làm chuyển dịch cân bằng, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn. + Để ý ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học. Khi nhiệt độ thay đổi thì Kcb thay đổi. Trong khoảng hẹp của nhiệt độ, nếu coi  H là hằng số đối với nhiệt độ thì ta có công thức. Kp(T2 ) H 0 1  1 ln = ( ) Kp(T1 ) T1 T2 R Với:  H0: J. mol 1 R = 8,314 J. K 1 T = (t0 c + 273)0 K 5)Một số đại lượng liên quan : a) Hiệu ứng nhiệt - Hiệu ứng nhiệt là năng lượng tỏa ra hay hấp thụ trong một phản ứng hóa học - Được kí hiệu là : H (entapi) , đơn vị là KCal/mol hoặc KJ/mol (1Cal = 4,184J) - H < 0 : phản ứng tỏa nhiệt - H > 0 : phản ứng thu nhiệt *Cách tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học - Năng lượng liên kết (Elk hoặc Hlk) là năng lượng cần thiết để phá vở 1 liên kết hóa học thành các các nguyên tử riêng rẽ ở trạng thái khí . VÝ dô: Tõ thùc nghiÖm thu ®îc trÞ sè trung b×nh  H (theo Kcal.mol-1) ph©n ly tõng liªn kÕt ë 250C nh sau: Liªn kÕt H–H O–O O–H C–H C–O C–C 104 33 111 99 84 83 H H·y so s¸nh ®é bÒn liªn kÕt cña c¸c chÊt trong sù ®ång ph©n hãa: CH3CH2OH (h¬i)  CH3-O-CH3 (h¬i) +Xét phân tử CH3CH2OH có 1 liên kết C  C ; 5 liên kết C  H ; 1 liên kết C  O và 1 liên kết O  H. Năng lượng cần thiết phá vỡ các liên kết này = (83) + (995) + (84) + (111) = 773 Kcal/mol +Xét phân tử CH3  O  CH3 có 6 liên kết C  H và 2 liên kết C  O Năng lượng tỏa ra khi hình thành các liên kết này = (99  6) + (84  2) =  762 Kcal/mol  H = 773  762 = 11 Kcal/mol ; H mang dấu + chứng tỏ : Phản ứng trên là thu nhiệt và độ bền liên kết của CH3CH2OH > CH3OCH3. 7 t pha� n� � ng) -  E lk (cha� t ta� o tha� nh) *Hiệu ứng nhiệt H =  Elk (cha� - Nhiệt tạo thành của một hợp chất là lượng nhiệt tỏa ra hay hấp thụ khi tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất bền . Nhiệt tạo thành của đơn chất bằng 0 . t ta� o tha� nh sa� n pha� m -  nhie� t ta� o tha� nh ca� c cha� t tham gia H =  nhie� b)Đại lượng entropi S -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. -Khi tìm mối liên hệ giữa lượng nhiệt mà hệ thu vào với công mà nó thực hiện khi chuyển từ trạng thái có nhiệt độ cao sang trạng thái có nhiệt độ thấp ta thu được một đại lượng mới đó là entropi . Độ biến thiên của entropi kí hiệu là S * 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: H S  T * Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là: S   S(sa�   S( pha� n� � ng) n pha� m) c)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 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 , G<0 phản ứng tự xảy ra G = -RTlnK (R=8,314j/K.mol); p = 1atm = 1,013. 105 Pa CCc CDd 0 G  G  RT ln a b C ACB -Nếu G tính theo Cal thì R=8,3144, còn tính theo J thì R=1,987. Chú ý 1Cal= 4,186J G >0: Phản ứng chuyển dịch theo chiều nghịch G <0: Phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận -Khi phản ứng đạt được trạng thái cân bằng: ∆G=0  ∆G0 = -RTlnKC -Biến thiên thế đẳng áp trong phản ứng hóa học: G   G(sa�   G( pha� n� � ng) n pha� m) 6)Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa-khử - Pin điện hóa a)Xét phản ứng : a Ox + ne � bKh Ta có G 0   RT ln K  nFE 0 8 Suy ra lg K  F .nE 0 2,303.RT Ở 250C (T=2980K) thì ta có F 96500 1   2,303.RT 2,303.8,314.298 0,059 nE 0 nE 0 Từ đó ta có lg K  . Suy ra K  10 0,059 0,059 b)Xét phản ứng oxi hóa-khử gồm có hai bán phản ứng sau : a Ox1 + ne � bKh1 ×m ×n K1  10 nE10 0,059 mE20  � dOx2 + m e K1  10 0,059 cKh2 Ta cân bằng phản ứng : am Ox1 + cnKh2 � bmKh1 + dnOx2 c)Trong pin điện hóa : K  10 mn ( E 01  E 0 2 ) 0,059 Ox1 Ox2 Cực dương (catot) Kh1 Kh2 0,059 lg [Ox1 ] 0,059 lg [Ox2 ] 0 0 Eanot= Eanot  . Ecatot= Ecatot  . [Kh1 ] [Kh 2 ] n m 0,059 lg [Ox2 ] 0,059 lg [Ox1 ] 0 0 Epin= Ecatot – Eanot = Ecatot  . −( Eanot  . ) [Kh 2 ] [Kh1 ] m n [Ox1 ] 0,059 lg [Ox2 ] 0 0 0 0 = E pin + (n − m. lg ) Với E pin  Ecatot  Eanot [Kh 2 ] [Kh1 ] nm Cực âm (anot) -Khi cân bằng Epin=0 (pin hết điện) lúc đó Ecatot = Eanot -Kcb= 10 mnE 0 0,059 Lưu ý chất rắn không tính nồng độ 7.Một số vấn đề về động hóa a)Phương trình động học chung của phản ứng - Nếu hệ trong dung dịch lỏng:    - Nếu phản ứng ở pha khí:    d P d t d C d t  ktd Cx Cy  ktd Px Py x+y: Bậc của phản ứng. Đối với phản ứng đơn giản, bậc của phản ứng là tổng hệ số tỉ lệ của các chất phản ứng. A, B: Các chất tham gia phản ứng CA, CB: Nồng độ A, B ban đầu b)Tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ k td thay đồi theo nhiệt độ theo các biểu thức: v(T ) 2 v(T ) 1  kt 2 kt k T2 T1 2 E và k  A .e RT , trong đó: (T ) 0 1 A0: Là hằng số đặc trưng cho phản ứng 9 E: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng k( T ) E  1 1  ln     k(T ) R  T1 T2  2 1 E: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng (J.mol-1) c)Liên hệ giữa hằng số tốc độ ktd và nồng độ các chất theo thời gian (dùng để xác định hằng số ktd): - Đối với phản ứng bậc 0: ( v = k td ) k.t = C0 – Ct - Đối với phản ứng bậc 1: ( v = k td .C A ) C k td .t = ln 0 Ct - Đối với phản ứng bậc 2: + Nếu CA=CB ( v = k td .CA .CB = k td .C A2 ) ktd .t  1 Ct  1 C0 + Nếu CA ≠ CB ( v = k td .C A .C B ) 1 b(a - x) k td .t = ln a - b a(b - x) a, b: Nồng độ ban đầu chất phản ứng x: nồng độ chất tham gia phản ứng - Đối với phản ứng bậc 3: Chỉ xét trường hợp nồng độ tham gia phản ứng của các chất đều bằng nhau: ( v = k td .C3A ) 8)Các phương pháp tính toán liên quan đến hằng số cân bằng a)Tính hệ số cân bằng của phản ứng : Câu 1:Trong một bình kín chứa N2 (1M), H2 (4M) và xúc tác (thể tích không đáng kể). Thực hiện phản ứng ở t0c và áp suất p. Khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng thì áp suất là 0,8p, còn nhiệt độ vẫn là t0c. Hãy tính: a. Hằng số cân bằng của phản ứng b. Hiệu suất phản ứng và nồng độ mol của các chất tại thời điểm cân bằng Hướng dẫn : Tổng nồng độ của hệ trước cân bằng là: 1 + 4 = 5 (mol.l) Gọi nồng độ N2 phản ứng là x (mol.l) 2 N2 + 3H2 � 2NH3 NH  Kc =  3  3 N 2  H 2  Ban đầu: 1 4 0 (mol.l) Phản ứng x 3x Cân bằng (1-x) (4-3x) 2x (mol.l) Vì nhiệt độ không đổi, thể tích các khí trước và sau phản ứng đều bằng thể tích bình chứa nên: PT: PS = nT:nS = C M T : C MS 10 Suy ra p 5 = giải ra ta được x=0,5 (mol.l) 0, 8p 5 - 2x Nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng[N2]=1-x=0,5M [H2]= 4- 3x = 2,5M. [NH3] = 2x =1M 12 Kc = = 0,128 3 0, 5 2, 5 Câu 2: Một bình phản ứng có dung tích không đổi, chứa hỗn hợp khí N 2 và H2 với nồng độ tương ứng là: 0,3M và 0,7M. Sau khi phản ứng tổng hợp NH 3 đạt trạng thái cân bằng ở t0C, H2 chiếm 50% thể tích hỗn hợp thu được hằng số cân bằng KC ở toC .Tính Kc Hướng dẫn: PTHH N2(k) + 3H2(k)   2NH3(k) Ban đầu: 0,3M 0,7M 0 Phản ứng: x(M) 3x(M) 2x(M)   0,3-x 0,7-3x 2x 0, 7  3 x 2 % VH = 0,3  x  0, 7  3 x  2 x x 100% = 50% Suy ra x = 0,1(M) NH 3   (2 x) 2  Kcb =  N 2   H 2  (0, 3  x)(0, 7  3 x) 2 = 2,925 b)Từ Kcb tính nồng độ các chất - tính pH-tính hiệu suất phản ứng: Đối với phản ứng: aA + bB   CC + dD  C  . D  Kcb = Đối với chất rắn thì:   = 1. a b .  A .  B  c d pH =-log[H+] Câu 1: Cho biết phản ứng sau: H2O(k) + CO(k)   H2(k) + CO2(k) , ở 7000C hằng số cân bằng Kc = 1,873. Tính nồng độ của H2O và CO ở trạng thái cân bằng, biết rằng hỗn hợp ban đầu gồm: 0,300 mol H2O và 0,300 mol CO trong bình 10 lit ở 7000C. Hướng dẫn: CH 2 O = 0,300  0, 030( M ) 10 0,300 = 0,030(M) 10 H2O(k) + CO(k)   H2(k) + CO2 (k) CCO = Phản ứng: Ban đầu: Phản ứng:   Kcb 0,03 x 0,03-x 0,03 x 0,03-x xx = 1,873 (0,03  x) 2 0 x x 0 x x x = 0,017 11 Vậy:  H 2  =  CO2  = 0,017 (M)  CO =  H 2 O = 0,03 - x = 0,013 (M) Câu 2: Cho cân bằng sau : H2(k) + I2(k)   2HI(k) . Ở nhiệt độ t0C có hằng số cân bằng là 40. Xác định % H2, I2 chuyển thành HI. Nếu nồng độ ban đầu của chúng bằng nhau và bằng 0,01M.  2HI(k) Hướng dẫn: H2(k) + I2(k)   Ban đầu: 0,01 0,01 0 Phản ứng: x x 2x   cb 0,01-x 0,01-x 2x (2 x)2 KCB = 40 = x1 = 0,0146>0,01 (loại ) (0, 01  x) 2 x2 = 0,0076 (nhận) 0, 0076 Vậy: % H2   HI . 0, 01 x 100% = 76% Câu 3: Hằng số cân bằng của phản ứng: H2(k) + Br2(k)   2HBr(k). ở 7300C là 2,18.106. Cho 3,2 mol HBr vào bình phản ứng dung dịch 12 lit ở 7300C. Tính nồng độ của H2, Br2, HBr, ở trạng thái cân bằng. Hướng dẫn: H2(k) + Br2(k)   2HBr(k) , K = 2,18.106 CM 3, 2 0,8 HBr = 12, 0  3 (M) 2HBr(k)    H2(k) + Br2(k) Ban đầu: 0,8 (M) 3 0 0 Phản ứng: x(M) x/2 x/2   0,8 x 3 x 2 x 2 Kcb = 1 .10 6 2,18 KCB = 1 1 .106 6 = 2,18 2,18.10 x x . 2 2 = 0,8 (  x) 2 3 0,8 0,8 x K < 10 4   nên: 3 3 2 x 1   x  3,61.10 4 .106  4 0,8 2,18 ( )2 3 Vì: 12 Vậy:  H 2    Br2   3, 61.104  1,805.10 4 ( M ) 2 0,8  3, 61.104 ) (M) 3 Câu 4: Dung dịch CH3COOH 0,5M ở 25oC có Ka= 1,75.10  5 Tính pH của dung dịch. Hướng dẫn: CH3COOH   CH3COO  + H+ Ban đầu: 0,5M 0 0 Phản ứng: x x x []: 0,5 - x x x 2 x Ka = = 1,75.10 5 Do: Ka < 10 4 => 0,5 - x  0,5 0,5 - x  HBr   ( x2 = 1,75.10 5 => x = [H+] = 2,958.10 3 M 0,5 pH = -lg [H+] = -lg 2,958.10 3 = 2,53. Đ/S: pH = 2,53 Câu 5: Dung dịch NH3 0,2M ở 25oC có Kb = 1,8.10  5. Tính pH của dung dịch Hướng dẫn: NH3 + H2O   NH 4 + OH  Ban đầu: 0,2M 0 0 Phản ứng: x(M) x(M) x(M)   0,2 -x x x Kb = 1,8.10  5 = 1,8.10 5 x 0, 2  x Do Kb < 10  5   0,2-x  0,2 x2 =   x = 3,6.10 6 0, 2 OH   = 1,897.10 3 (M) 1014 1014 H  = = = 0,527.10 11 OH   1,897.103     pH = - lg H  - lg 0,527.10 11   pH = 11,278 Câu 6: Dung dịch A gồm: CH3COOH 0,2M, CH3COO Na: 0,1M ở 250C. K CH3COOH = 1,85.10 5 . Tính pH của dung dịch. Hướng dẫn: PT: Ban đầu: Phản ứng:   CH3COO Na   CH3COO  + Na+ 0,1M 0,1M CH3COOH   CH3COO  + H+ 0,2M 0,1M 0 x(M) 0,1 + x x 0,2 -x 0,1 + x x 13 Ka = x (0,1  x) = 1,75.10 5 0, 2  x Vì: Ka < 10 4   0,1 + x  0,1 ; 0,2 - x  0,2 (-) x 0,1 = 1,75.10 5 0, 2    pH = - lg H   = - lg 3,5.10 5 = 4,45 (-) x= H  = 3.5.10 5   Câu 7: Dung dịch gồm: NH3 0,1M, NH4Cl 0,2M 0, ở 250C có hằng số Kb = 1,8.10 5 . Tính pH của dung dịch. Hướng dẫn: NH4Cl   NH 4 + Cl  0,2M 0,2M  NH3 + HOH   NH 4 + OH  Ban đầu: 0,1M 0,2M 0 Phản ứng: x(M) 0,2 + x x   0,1 - x 0,2 + x x x(0, 2  x) Kb = 1,8.10 5 = Do : Kb = 1,8.10 5 < 10 4 do đó: 0,1  x 0,2+x  0,2 ; 0,1 - x  0,1 Nên 1,8.10 5 = 0, 2 x 0,1  (-) x = 0,9.10 5 (M)   OH  = 0,9.10 5 M 1014 1 1 1014  H  = .109 .10 9 = = pH = lg H  = - lg   5 OH  0,9 0,9 0,9.10 = 8,95 Câu 8: Cho phản ứng thuận nghịch: A(K) + B(k)   C(k) + D(k) Khi cho 1mol A tác dụng với 1 mol B thì hiệu suất cực đại của phản ứng là: 66,67% 1- Tính hằng số cân bằng của phản ứng (1) 2- Nếu lượng A gấp 3 lần lượng B thì hiệu suất cực đại của phản ứng là bao nhiêu. Hướng dẫn : Giả sử ta chỉ xét 1lít hỗn hợp (1) Phản ứng: A + B   C + D Ban đầu: 1M 1M 0 0 Phản ứng: 0,6667 0,6667 0,6667 0,6667   0,3333 0,3333 0,6667 0,6667  C  . D   0, 6667.0, 6667 Ta có: KCB = =4  A . B  0,3333x0,3333 Khi lượng A gấp 3 lần lượng B  (2) A + B C + D   Ban đầu: 3M 1M 0 0 Phản ứng: x x x x   3-x 1-x x x  14 x.x (3  x)(1  x) Giải ra ta có: X1 = 4,43>1 ( loại) X2 = 0,9 M (thỏa mãn) Kcb =4= Vậy hiệu suất H = 0,9 x100% = 90% 1 Câu 9: Thực hiện phản ứng Este hoá: CH3COOH + C2H5OH   CH3COOC2H5 + H2O +Nếu cho 1mol CH3COOH tác dụng với 1mol C2H5OH khi phản ứng đạt trạng thái cần bằng thu được 2 mol CH3COOC2H5 3 +Nếu cho 1mol CH3COOH tác dụng với a mol C 2H5OH khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì hiệu suất cực đại là: H = 90% ( tính theo CH 3COOH). Tính giá trị của a. Hướng dẫn : Giả sử ta xét 1lít hỗn hợp  CH3COOC2H5 + H2O CH3COOH + C2H5OH   Ban đầu: 1M 1M 0 0 Phản ứng:   Kcb 2 M 3 1 M 3 2 M 3 1 M 3 2 M 3 2 M 3 2 M 3 2 M 3 2 2 x 3 3 =4 = 1 1 x 3 3 CH3COOH + C2H5OH   CH3COOC2H5 + H2O Ban đầu: 1(M) a(M) 0 0 Phản ứng: 0,9(M) 0,9M 0,9M 0,9M   0,1M (a-0,9) 0,9(M) 0,9(M) 0,9.0,9 Kcb = 4 =   a = 2,925M 0,1.(a  0,9) Câu 10: Cho phản ứng thuận nghịch. A + 2B   C Nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng là:  A = 0,6 (M) ;  B  = 1,2(M);  C  = 2,16(M). Tính hằng số cân bằng và nồng độ của A và B.  C 2,16 Hướng dẫn: KCB = = 2,5 2 = 0, 6 x(1, 2)  A .  B  Ta có: Ban đầu: Phản ứng:   A + CA x(M) CA-x 2B   CB 2x(M) CB-2x C 0 x(M) x 15 Ta có: [C] = x = 2,16 (M) [A] = CA-x = 0,6   CA = 2,76 (M) [B] = CB - 2x = 1,2   CB = 5,52 (M) c)Ảnh hưởng nhiệt độ đến hằng số cân bằng Câu 1: Xét phản ứng: H2O + CO(k)   CO2(k) + H2(k) ở T = 690K có Kp = 10,0. Tính Kp ở T = 800K. Biết rằng, trong khoảng nhiệt độ này,  H0 được coi là không đổi và bằng: - 42676,8 J/mol Hướng dẫn: Ta áp dụng kiến thức In K 800 42676,8 1 1  (  ) = - 1,023 K 690 8,314 690 800 K 800  0,359   K 800  0,359 x10  3,59 K 690 Kết quả cuối cùng cho biết, ở 800K hằng số Kp = 3,59. Như vậy, do phản ứng phát nhiệt  H0 < 0 nên khi nhiệt độ tăng, hằng số cân bằng giảm. Cân bằng của phản ứng chuyển dịch về phía trái, sản phẩm (CO2, H2) thu được giảm. Câu 2: Đi oxit cacbon bị phân huỷ ở nhiệt độ cao theo phản ứng: 2CO2   CO + CO2. Khi áp suất = 1 at thì lượng % CO 2 bị phân huỷ là: 2,0.10 5 ở 10000 K và 1,27 x 10 2 ở 14000 K. Hãy tính biến thiên năng lượng tự do chuẩn và entropi chuẩn ở 10000 K. Giả sử khoảng nhiệt độ trên  H của phản ứng coi như không đổi. Hướng dẫn: Ta có sự phản ứng 2CO2   2CO + O2 0 Tại 1000 K 1,0at 2,0.10 7 1,0.10 7 0 Tại: 1400 K 1,0at 1,27.10 4 0,635.10 4 2 PCO .PO 2 Ta có: Kp = PCO2   2 (2, 0.10 7 ) 2  4, 0.1021 ở 1000 K . Kp(1400 ) = 2 (1, 0) (1, 27 x104 ) 2 x(0, 635 x10 4 ) 0 0 ở 1400 K : Kp(1400 ) = = 1,024.10 22 (1, 0)2 ở 1000 K :  G0 =- RT. ln Kp  G0 = - 8,314 x 1000 x ln 4,0.10 21 = 390,515 I/mol  H trong khoảng nhiệt độ: 100   1400o K 0 0 Kp2 H 0 1 1  (  )   H 0  563,376 KJ / mol Ln Kp1 R T1 T2 ở 10000 K , giá trị  S0 tính theo công thức  G0 =  H0 - T.  S0 G 0  H 0 0    S =  172,876.J .mol 1 , K 1 T Câu 3: Tại áp suất không đổi và bằng 1 at, phân tử N 2O4 bị phân huỷ 50% và 79% với 600C và 1000C. Hãy tính. 1. Tính hằng số cân bằng ở các nhiệt độ tương ứng nói trên theo phản ứng: N2O4   2NO2 16 2. Xác định nhiệt phân li của phản ứng Hướng dẫn: 1. Phản ứng: N2O4   2NO2 Ban đầu 1 0 Phân li: x x CB 1- x 2x 1 x 2x .P P riêng phần: .P 1 x 1 x PNO2 Kp = PN 2O4 ở - Kp ở 600C : - Kp ở 1000C : KT2 Kp 333 = 1,33 at Kp 373 = 6,44 at AH 1 1 (  ). 2. Ln KT  Từ 600C   1000C,  H = const H T1 T2 1  H = 41,5 KJ/ mol d)Mối liên hệ giữa KC, KP, KN. Câu 1: Cho cân bằng: COCl2(k)   CO(k) + Cl2(k) ở 5500C, P = 1 atm có độ phân huỷ của COCl2 là: x = 77%. Tính Kp, và Ke.  Bài làm: COCl2 CO + Cl2   Ban đầu: 1 0 0 Phản ứng: x x x Cân bằng: 1-x x x Tổng số mol ở trạng thái cân bằng là: 1 + x PCO = PCl 2 = P. x 1 2 1 x 1 x PCO .PCl2 x  P. Ta có: Kp = PCOCl2 1 x2 PCOCl 2 = P. Thay số vào ta được: 1  (0, 77) 2  1, 456 Kp = 1  (0, 77) 2 KC = Kp. (RT) 1 = 1,456 . ( 22, 4 .823) 1  0,0215 273 Câu 2: Xét phản ứng: N2(k) + 3H2(k)   1NH3(k) Biết rằng ở T = 673K và p = 1 at thì Kp = 1,64. 10 4 . Tính KC, KN Hướng dẫn : Đối với phản ứng trên ta có.  n = 2 - ( 3+ 1) = - 2 Vậy hằng số cân bằng sẽ là: Kp = KC ( RT) 2 17 Kp Hay: KC = ( RT ) 2 = Kp. (RT)2 = 1,64.10 4 . (0,082 x 673) 2 = 0,5 Theo đầu bài khi: P = 1 atm sẽ dẫn đến KN = Kp = 1,64.10 4 e)Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học Câu 1: Cho phản ứng  H < O. Cho biết ảnh hưởng của các N2(k) + 2H2(k)   2NH3(k) yếu tố nhiệt độ, áp suất, nồng độ đến chuyển dịch cân bằng. Hướng dẫn: Áp suất: Khi P  cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ( làm giảm số phân tử khi: 4 -> 2) - Khi P  cân bằng chuyển dịch theo chiều nghich ( làm tăng số phân tử khí 2 -> 4). * Nhiệt độ:  H > O N2(k) + 3H2(k)   2NH3(k)  H < O - Khi tăng t0 cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm nhiệt độ - Khi giảm t0 cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm tăng nhiệt độ * Khi ta tăng  N 2  ,  H 2    cân bằng theo chiều thuận để giảm nồng độ  N 2  ;  H 2  . Câu 2: Cho biết phản ứng nào sau đây chuyển dịch theo chiều thuận khi tăng áp suất. 1, H2(k) + I2(k)   2HI(k) 2, 2H2(k) + O2(k)   2H2O(k) 3, 2SO3(k)   2SO2(k) + O2(k) Hướng dẫn: 1. Không phụ thuộc vào áp suất. Vì số phân tử trước và sau phản ứng = nhau. 2. Khi tăng P cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm giảm P. ( Vì số phân tử khí giảm từ 3   2). 3. Khi tăng P cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm áp suất. ( Vì số phân tử khí giảm từ 3   2). f)Cân bằng trong phản ứng oxi hóa -khử , pin điện hóa Câu 1: Cho phản ứng : Cu(r) + CuCl2(dd) 2 CuCl(r) 0 a). Ở 25 C phản ứng xảy ra theo chiều nào, nếu người ta trộn một dung dịch chứa CuSO4 0,2M; NaCl 0,4M với bột Cu lấy dư ? Cho T CuCl = 10-7 , E 0 Cu 2  / Cu   0,15V ; E 0 Cu 2  / Cu  0,335V b). Tính hằng số cân bằng K của phản ứng trên ở 250C. Hướng dẫn : a) Ta có : Cu2+ + 2e = Cu , G1 2+ + Cu + 1e = Cu , G2 + Cu + 1e = Cu , G 3   G3  G1  G2  1.F .E 0 Cu  / Cu  2.F .E 0 Cu 2  / Cu  1.F .E 0 Cu 2  / Cu  E 0 Cu  / Cu  2 E 0 Cu 2 / Cu  E 0 Cu 2 / Cu  = 2.0,335 - 0,15 = 0,52 V. Ta có : 18 E Cu 2  / Cu   E 0 Cu 2  / Cu   0,059 lg  0,15  0,059 lg [Cu 2  ] [Cu  ] 0,2  0,498V 10 / 0,4 7 ( với [Cu+] = TCuCl/[Cl-] ) ECu+/Cu = E0Cu+/Cu + 0,059 lg [Cu+] = 0,52 + 0,059 lg 10-7/ 0,4 = 0,13V. b) Khi cân bằng : 0 K1 = 10 n.E / 0,059 = 5,35.10-7 K2 = ( 10-7)-2 = 1014 Vậy : K = K1 . K2 = 5,35.107. Câu 2: Một pin điện được thiết lập bởi điện cực Zn nhúng vào dung dịch Zn(NO3)2 0,1M và điện cực Ag nhúng vào dung dịch AgNO3 0,1M . Cho E0Zn2+/Zn = -0,76V ; E0Ag+/Ag = 0,8V a)Viết sơ đồ pin b)Viết phương trình phản ứng xảy ra khi pin hoạt động c)Tính sức điện động của pin d)Tính nồng độ các chất khi pin hết Hướng dẫn : a)Sơ đồ pin: (-)Zn/Zn(NO3)2 (0,1M)// AgNO3(0,1M)/Ag (+) b) C� � c a� m: Zn  Zn 2  2e  1 C� � c d� � ng : Ag   1e  Ag 2 Phản ứng trong pin: Zn + 2Ag+  Zn2+ + 2Ag (1) c)E0 pin= E0Ag+/Ag – E0Zn2+/Zn = 0,8-(-0,76)=1,56V Suy ra Epin= E 0 pin 0, 059 [Ag + ]2 0, 059 10-2 lg = 1,56 + lg -1 = 1,53V + 2 [Zn 2+ ] 2 10 d) Hết pin Epin=0 0 [Ag + ]2 -2E pin -2×1,56 [Ag + ]2 lg = = = -52,88  = 10-52,88 2+ 2+ [Zn ] 0, 059 0, 059 [Zn ] Theo phản ứng 1 cứ 2 mol Ag+ bị khử thì có 1 mol Zn bị oxi hóa .Gọi x là lượng Zn bị oxi hóa khi pin ngừng hoạt động Ta có [Ag+] = 0,1-2x [Zn2+]= 0,1 + x (0,1- 2x) 2 = 10-52,88  0  x = 0, 05 Suy ra : 0,1+ x [Zn 2+ ] = 0,1+ 0, 05 = 0,15 ;[Ag + ] = 10-52,88 × 0,15 = 1, 4.10 -27 M Câu 3: Ở 250C ,người ta thực hiện một pin gồm hai nửa pin sau : Ag/AgNO3 0,1M vàZn/ Zn(NO3)2 0,1M a)Thiết lập sơ đồ pin b)Viết các phản ứng tại các điện cực và phản ứng xảy ra khi pin làm việc c)Tính suất điện động của pin d)Tính nồng độ các ion khi pin không có khả năng phát điện Cho biết E0Zn2+/Zn = -0,76V ; E0Ag+/Ag = 0,8V Hướng dẫn : 19 a)Sơ đồ pin: (-)Zn/Zn(NO3)2 (0,1M)// AgNO3(0,1M)/Ag (+) C� � c a� m: Zn  Zn 2  2e  1 b) C� � c d� � ng : Ag   1e  Ag  2 Zn + 2Ag+  Zn2+ + 2Ag Phản ứng trong pin: c)Epin= Ecatot – Eanot = E Ag+ /Ag - E Zn 2+ / Zn = (0,8 + 0, 059lg[Ag + ]) - (-0, 76 + 0, 059 lg[Zn 2+ ] 2 =0,741 –(-0,7895)=1,53V d)Khi pin không có khả năng phát điện thì Epin=0 .Khi đó phản ứng đạt trạng thái cân bằng n E 0 2 (0,8 0,76) [ Zn 2 ] Ta có Kcb=  10 0,059  10 0,059  1052,9  2 [ Ag ]  Mặt khác : Zn + 2Ag+ Zn2+ + 2Ag ban đầu : 0,1 0,1(M) Phản ứng: 2x x Cân bằng: 0,1-2x 0,1 + x 2 [ Zn ] 0,1  x   1052,9 Suy ra x= 0,05M  2 2 [ Ag ] (0,1  2 x) 2+ Vậy [Zn ] = 0,1 + 0,05 = 0,15 M [Ag+] = 1052,9.[Zn2 ]  1,4.1027 M g)Bài toán có liên quan đến bậc phản ứng Câu 1. Cho phản ứng: A + B C + D Người ta làm thí nghiệm với những nồng độ khác nhau và thu được những kết quả sau đây (ở nhiệt độ không đổi): Nồng độ (mol/l) Thí nghiệm Tốc độ (mol/phút) A B 16,0.10 4 1 0,2 0,2 2,0.10 4 2 0,1 0,1 4,0.10 4 3 0,2 0,1 Tính hằng số tốc độ k của phản ứng trên và viết biểu thức tốc độ phản ứng. Cho biết bậc của phản ứng? Hướng dẫn : Biểu thức tốc độ có dạng : V  k  C Ax  C By  V1= k(0,2)x . (0,2)y = 16,0.10 4 V2= k(0,1)x . (0,1)y = 2,0.10 4 V3= k(0,2)x . (0,1)y = 4,0.10 4 V1  2 ( x  y )  23 V2  (x + y) = 3 V3  2 x  21 V2 20