CHUYÊN ĐỀ: CÂN BẰNG HÓA HỌC A. KIẾN THỨC CƠ BẢN VÀ BÀI TẬP CƠ BẢN I. PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC 1. Phản ứng thuận nghịch. Xét phản ứng: N2 3H2 t0,xt2NH3 . Trong cùng một điều kiện, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau. Phản ứng như thế gọi là phản ứng thuận nghịch. 2. Cân bằng hoá học: CBHH là trạng thái của pứ thuận nghịch khi tốc độ pứ thuận bằng tốc độ pứ nghịch. II. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HOÁ HỌC S chuyển dịch cân bằng hoá học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng. Kết luận: Ba yếu tố nồng độ, áp suất, nhiệt độ ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng hoá học đã được nhà bác học người Pháp Lơ-sa-tơ-lie tổng kết thành nguyên lí được gọi là nguyên lí Lơ-sa-tơ-lie như sau: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu tác động từ bên ngoài như sự biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó. III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC 1. Nồng độ: Khi tăng nồng độ một chất nào đó (trừ chất rắn) trong cân bằng thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng làm giảm nồng độ chất đó và ngược lại. Lưu ý rằng nếu hệ cân bằng có chất rắn tham gia thì việc thêm hay bớt chất rắn không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng. 2. Áp suất: Khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng tạo ra số mol khí ít hơn và ngược lại. 3. Nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt và ngược lại. 4. Chú ý: Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hoá học. Chất xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng, giảm thời gian để phản ứng hóa học đạt trạng thái cân bằng. IV. HẰNG SỐ CÂN BẰNG KC ● Đối với hệ phản ứng thuận nghịch tổng quát dạng : aA + bB cC + dD KC = kt = Cc Dd kn Aa Bb Trong đó A , B , C , D là nồng độ mol/l của các chất A, B, C, D ở trạng thái cân bằng. ● Đối với hệ phản ứng thuận nghịch dị thể (hệ gồm chất rắn và khí) hoặc (hệ gồm chất ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 1
rắn và chất tan trong dung dịch) thì nồng độ của chất rắn được coi là hằng số (không có trong biểu thức tính KC) ● Hằng số cân bằng của một phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. ● Đối với một phản ứng xác định, nếu thay đổi hệ số các chất trong phản ứng thì giá trị hằng số cân bằng cũng thay đổi. V. BÀI TẬP Câu 01(ĐH-KB-2012): Cho phản ứng: N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k); ∆H = –92 kJ. Hai biện pháp đều làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận là A. giảm nhiệt độ và tăng áp suất. B. tăng nhiệt độ và tăng áp suất. C. tăng nhiệt độ và giảm áp suất. D. giảm nhiệt độ và giảm áp suất. Câu 02(CĐ-2012): Cho cân bằng hóa học: Biết phản ứng thuận là phản ứng thu nhiệt. Tác động nào sau đây vào hệ cân bằng để cân bằng đã cho chuyển dịch theo chiều thuận? A. Tăng nồng độ khí CO2. B. Tăng áp suất. C. Giảm nhiệt độ. D. Tăng nhiệt độ. Câu 03(ĐH-KA-2011): Cho cân bằng hoá học: H2 (k) + I2 (k) 2HI (k); H > 0. Cân bằng không bị chuyển dịch khi A. tăng nhiệt độ của hệ. B. giảm nồng độ HI. C. tăng nồng độ H2. D. giảm áp suất chung của hệ. Câu 04(ĐH-KB-2011): Cho cân bằng hoá học sau: 2SO2 (k) + O2 (k) 2SO3 (k); ∆H < 0. Cho các biện pháp: (1) tăng nhiệt độ, (2) tăng áp suất chung của hệ phản ứng, (3) hạ nhiệt độ, (4) dùng thêm chất xúc tác V2O5, (5) giảm nồng độ SO3, (6) giảm áp suất chung của hệ phản ứng. Những biện pháp nào làm cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận? A. (1), (2), (4), (5). B. (2), (3), (5). C. (2), (3), (4), (6). D. (1), (2), (4). Câu 05(CĐ-2011): Cho cân bằng hóa học: N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k) ∆H < 0 Cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận khi A. tăng nhiệt độ của hệ phản ứng. B. giảm áp suất của hệ phản ứng. C. tăng áp suất của hệ phản ứng. D. thêm chất xúc tác vào hệ phản ứng. Câu 06(ĐH-KA-2009): Cho cân bằng hoá học: 2SO2 (k) + O2 (k) 2SO3 (k) phản ứng thuận là phản ứng toả nhiệt. Phát biểu đúng là: A. Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi tăng nhiệt độ. B. Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch khi giảm nồng độ O2. C. Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi giảm áp suất hệ phản ứng. D. Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch khi giảm nồng độ SO3. Câu 07(ĐH-KB-2008): Cho cân bằng hoá học: N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k); phản ứng thuận là phản ứng toả nhiệt. Cân bằng hoá học không bị chuyển dịch khi ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 2
A. thay đổi áp suất của hệ. B. thay đổi nồng độ N2. C. thay đổi nhiệt độ. D. thêm chất xt Fe. Câu 08(CĐ-2008): Cho các cân bằng hoá học: N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k) (1) H2 (k) + I2 (k) 2HI (k) (2) 2SO2 (k) + O2 (k) 2SO3 (k) (3) 2NO2 (k) N2O4 (k) (4) Khi thay đổi áp suất những cân bằng hóa học bị chuyển dịch là: A. (1), (2), (3). B. (2), (3), (4). C. (1), (3), (4). D. (1), (2), (4). Câu 09(ĐH-KA-2009): Cho cân bằng sau trong bình kín: 2NO2 (k) N2O4 (k). (màu nâu đỏ) (không màu) Biết khi hạ nhiệt độ của bình thì màu nâu đỏ nhạt dần. Phản ứng thuận có A. H > 0, phản ứng tỏa nhiệt. B. H < 0, phản ứng tỏa nhiệt. C. H > 0, phản ứng thu nhiệt. D. H < 0, phản ứng thu nhiệt. Câu 10(CĐ-2009): Cho các cân bằng sau: Khi thay đổi áp suất, nhóm gồm các cân bằng hoá học đều không bị chuyển dịch là A. (1) và (2). B. (1) và (3). C. (3) và (4). D. (2) và (4). Câu 11(CĐ-2009): Cho cân bằng (trong bình kín) sau: CO (k) + H2O (k) CO2 (k) + H2 (k) H < 0 Trong các yếu tố: (1) tăng nhiệt độ; (2) thêm một lượng hơi nước; (3) thêm một lượng H2; (4) tăng áp suất chung của hệ; (5) dùng chất xúc tác. Dãy gồm các yếu tố đều làm thay đổi cân bằng của hệ là: A. (1), (4), (5). B. (1), (2), (3). C. (2), (3), (4). D. (1), (2), (4). Câu 12(CĐ-2007): Cho PTHH của phản ứng tổng hợp amoniac: N2 3H2 t0,xt2NH3 Khi tăng nồng độ của hiđro lên 2 lần, tốc độ phản ứng thuận A. tăng lên 8 lần. B. giảm đi 2 lần. C. tăng lên 6 lần. D. tăng lên 2 lần. Câu 13(ĐH-KA-2010): Cho cân bằng: 2SO2 (k) + O2 (k) ⇄ 2SO3 (k). Khi tăng nhiệt độ thì tỉ khối của hỗn hợp khí so với H2 giảm đi. Phát biểu đúng khi nói về cân bằng này là: A. Phản ứng thuận thu nhiệt, cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch khi tăng nhiệt độ. B. Phản ứng nghịch toả nhiệt, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận khi tăng nhiệt độ. C. Phản ứng nghịch thu nhiệt, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận khi tăng nhiệt độ. D. Phản ứng thuận toả nhiệt, cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch khi tăng nhiệt độ. Câu 14(ĐH-KA-2010): Xét cân bằng: N2O4 (k) ⇄ 2NO2 (k) ở 25oC. Khi chuyển dịch sang một trạng thái cân bằng mới nếu nồng độ của N2O4 tăng lên 9 lần thì nồng độ của NO2 A. tăng 9 lần. B. tăng 3 lần. C. tăng 4,5 lần. D. giảm 3 lần. Câu 15(ĐH-KB-2010): Cho các cân bằng sau: (I) 2HI (k) ⇄ H2 (k) + I2 (k); (II) CaCO3 (r) ⇄ CaO (r) + CO2 (k); ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 3
(III) FeO (r) + CO (k) ⇄ Fe (r) + CO2 (k); (IV) 2SO2 (k) + O2 (k) ⇄ 2SO3 (k). Khi giảm áp suất của hệ, số cân bằng bị chuyển dịch theo chiều nghịch là A. 4. B. 3. C. 2. D. 1. Câu 16(CĐ-2010): Cho cân bằng hoá học: PCl5 (k) ⇄ PCl3 (k) + Cl2 (k); H 0 Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi A. tăng áp suất của hệ phản ứng. B. thêm Cl2 vào hệ phản ứng. C. thêm PCl3 vào hệ phản ứng. D. tăng nhiệt độ của hệ phản ứng. Câu 17(ĐH-KA-2014): Hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín: CO (k) +H2O (k) CO2 (k) +H2 (k) ;∆H < 0 Cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận khi A. cho chất xúc tác vào hệ. B. thêm khí H2 vào hệ. C. tăng áp suất chung của hệ. D. giảm nhiệt độ của hệ. Câu 18(CĐ-2014): Cho hệ cân bằng trong một bình kín: Cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận khi A. thêm chất xúc tác vào hệ. B. giảm áp suất của hệ. C. thêm khí NO vào hệ. D. tăng nhiệt độ của hệ. Câu 19(ĐH-KA-2013): Cho các cân bằng hóa học sau: Ở nhiệt độ không đổi, khi thay đổi áp suất chung của mỗi hệ cân bằng, cân bằng hóa học nào ở trên không bị chuyển dịch? A. (d). B. (c). C. (a). D. (b). Câu 20(ĐH-KB-2013): Trong một bình kín có cân bằng hóa học sau: 2NO2 (k) N2O4 (k). Tỉ khối hơi của hỗn hợp khí trong bình so với H2 ở nhiệt độ T1 bằng 27,6 và ở nhiệt độ T2 bằng 34,5. Biết T1 > T2. Phát biểu nào sau đây về cân bằng trên là đúng? A. Khi tăng nhiệt độ, áp suất chung của hệ cân bằng giảm. B. Khi giảm nhiệt độ, áp suất chung của hệ cân bằng tăng. C. Phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt. D. Phản ứng nghịch là phản ứng tỏa nhiệt. Câu 21(CĐ-2013): Trong bình kín có hệ cân bằng hóa học sau: CO2 (k) + H2 (k) CO (k) + H2O (k); ΔH > 0. Xét các tác động sau đến hệ cân bằng: (a) tăng nhiệt độ; (b) thêm một lượng hơi nước; (c) giảm áp suất chung của hệ; (d) dùng chất xúc tác; (e) thêm một lượng CO2. Trong những tác động trên, các tác động làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận là: A. (a) và (e). B. (b), (c) và (d). C. (d) và (e). D. (a), (c) và (e). Câu 22(ĐH-KB-2011): Cho 5,6 gam CO và 5,4 gam H2O vào một bình kín dung tích ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 4
không đổi 10 lít. Nung nóng bình một thời gian ở 830oC để hệ đạt đến trạng thái cân bằng: CO (k) + H2O (k) CO2 (k) + H2 (k) (hằng số cân bằng KC = 1). Nồng độ cân bằng của CO, H2O lần lượt là A. 0,08M và 0,18M. B. 0,018M và 0,008M. C. 0,012M và 0,024M. D. 0,008M và 0,018M. Câu 23(CĐ-2011): Cho phản ứng: H2 (k) + I2 (k) 2HI (k) Ở nhiệt độ 4300C, hằng số cân bằng KC của phản ứng trên bằng 53,96. Đun nóng một bình kín dung tích không đổi 10 lít chứa 4,0 gam H2 và 406,4 gam I2. Khi hệ phản ứng đạt trạng thái cân bằng ở 4300C, nồng độ của HI là A. 0,275M. B. 0,225M. C. 0,151M. D. 0,320M. Câu 24(ĐH-KA-2009): Một bình phản ứng có dung tích không đổi, chứa hỗn hợp khí N2 và H2 với nồng độ tương ứng là 0,3M và 0,7M. Sau khi phản ứng tổng hợp NH3 đạt trạng thái cân bằng ở t oC, H2 chiếm 50% thể tích hỗn hợp thu được. Hằng số cân bằng KC ở t oC của phản ứng có giá trị là A. 2,500. B. 3,125. C. 0,609. D. 0,500. Câu 25(ĐH-KA-2007): Khi thực hiện phản ứng este hoá 1 mol CH3COOH và 1 mol C2H5OH, lượng este lớn nhất thu được là 2/3 mol. Để đạt hiệu suất cực đại là 90% (tính theo axit) khi tiến hành este hoá 1 mol CH3COOH cần số mol C2H5OH là (biết các pứ este hoá thực hiện ở cùng nhiệt độ) A. 0,342. B. 2,925. C. 2,412. D. 0,456. Câu 26: Xét các cân bằng sau :2 SO2 (k) + O2 (k) 2SO3 (k) (1) SO2 (k) + 1 / 2 O2 (k) SO3 (k) (2) ; 2SO3 (k) 2 SO2 (k) + O2 (k) (3) gọi K1 ,K2 , K3 là hằng số cân bằng ứng với các trường hợp (1) (2) (3) thì liên hệ giữa chúng là : A. K1 = K2 = K3 B. K1 = 2K2 = ( K3 )- 1 C. K1 = (K2 )2 = ( K3 )- 1 D. K1 = K2 = ( K3 )- 1 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 5
B. KIẾN THỨC NÂNG CAO VÀ BÀI TẬP NÂNG CAO I. KIẾN THỨC CẦN NHỚ ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 6
ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 7
II. BÀI TẬP Câu 1: Xét cân bằng của phản ứng sau: N2O4 (k) ⇄ 2NO2 (k) tại nhiệt độ T và áp suất P. Cho biết dữ kiện nhiệt động học sau: ΔH0ht, 298 S0298 (J.K-1.mol- (kJ/mol) 1) N2O4 9,37 304,3 NO2 33,89 240,45 1. Ở điều kiện chuẩn, N2O4 có tự phân li không? 2. Giả thiết trong khoảng nhiệt độ 298K → 318K, nhiệt phản ứng không phụ thuộc nhiệt độ. Hãy tính hằng số cân bằng Kp tại 298K và 318K 3. Tại p=2atm, tính độ phân li α tại các nhiệt độ 298K và 318K? Nhận xét kết quả thu được. (Đề xuất THPT Chuyên Tuyên Quang – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1. N2O4 (k) ⇄ 2NO2 (k) ΔH0298pư =58,41 kJ.mol-1; ΔS0298 pư = 176,6 J.mol-1.K-1 ΔG0298 = ΔH0298 – T. ΔS0298= 5,783 kJ. mol-1>0. Vậy ở đkc, phản ứng không tự diễn biến. 2. ΔG0T =-RT.lnKp. Từ đó tính được Kp, 298 = 0,097. Dựa vào phương trình VanHop: ln KT2 = H 0 1 1) . ( KT1 R T1 T2 ⇔ln K318 = 58, 41.103 (1 1) ⇒ K318 = 0,427. 298 318 K 298 8, 314 3. N2O4 (k) ⇄ 2NO2 (k) t =0 1 0 t = 1-α 2α ∆n= 1+ α Kp p2 . Với: =pNO2 xNO2 .P= 2 P ; pN2O4 1 .P ,ở đây P= 2atm. NO2 1 1 pN2O4 Từ đó Kp = 4 2 P 12 Tại 298K tính được α298 = 10,95% Tại 318K tính được α318 = 22,51% Kết quả này phù hợp với nguyên lí Losatolie, phản ứng thu nhiệt nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 8
Câu 2: Xét một hỗn hợp khí cân bằng do sự nhiệt phân PCl5 ở nhiệt độ T theo phương trình phản ứng: PCl5(k) PCl3(k) + Cl2 (k) Ở nhiệt độ này, độ phân li của PCl5 là 0,25, áp suất tổng cộng là 1 atm, thể tích là V. Người ta thêm vào hỗn hợp này cũng một thể tích đó của Cl2 ở nhiệt độ T, áp suất 1atm, rồi nén cho thể tích của hệ trở lại như cũ (bằng V). Tính áp suất của hệ khi cân bằng lại được thiết lập ở nhiệt độ T. (Đề xuất THPT Chuyên Lam Sơn Thanh Hóa – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: Gọi n là số mol của PCl5, α là độ phân li dưới áp suất 1atm, nhiệt độ T. PCl5(k) PCl3(k) + Cl2 (k) Hỗn hợp Số mol BĐ n 00 CB: n(1- α) nα n α n(1+ α) Phân số mol: 1 1 1 1 Áp suất 1 P P P 1 1 1 riêng phần Kp = PPCl3 .PCl2 α2 1 (do α = 0,25; P = 1 atm) PPCl5 = 1-α2 P = 15 Số mol hỗn hợp là: n(1+ α) = 1,25n (mol) Suy ra số mol Cl2 thêm vào hệ là 1,25n (mol) Gọi α‟ là độ phân li của PCl5 sau khi thêm Cl2. Áp suất của cân bằng mới được thiết lập là P‟. PCl5(k) PCl3(k) + Cl2 (k) Hỗn hợp CB: n(1- α‟) n α‟ n(α‟+1,25) n(1+ 2,25 α‟) Phân số mol: 1 ' ' 1, 25 ' 2, 25 ' 2, 25 ' 2, 25 ' Áp suất 1 ' P‟ ' P‟ 1, 25 ' P‟ riêng phần 2, 25 ' 2, 25 ' 2, 25 ' Kp = PPCl3 .PCl2 α' (1, 25 α') P' 1 PPCl5 = (1-α' )(2, 25 α') = 15 Ở cùng điều kiện nhiệt độ và thể tích thì tỉ lệ về thể tích bằng tỉ lệ về số mol P' = P' α' +2,25 1 Suy ra: α' =0,06 P' =1,85atm == P 1,25 15 Câu 3: Hằng số cân bằng Kp của phản ứng điều chế amoniac : ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 9
N2 ( k) + 3 H2 (k) 2 NH3(k) ở 5000C bằng 1,50.10-5. Tính độ chuyển hoá α nếu phản ứng được thực hiện ở 500 atm và 1000 atm với t lệ số mol của N2 và H2 là 1 : 3? (Đề xuất THPT Chuyên Thái Bình – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: Theo giả thiết ta có: P2 = 1,50.10-5 (1) Vì t lệ n(N2) : n(H2) = 1:3 nên NH3 PN2 .p2H2 pH2 = 3 pN2 (2) pH2 + pN2 + pNH3 = p (3) ( với p là áp suất chung của hệ) Từ (2) và (3) ta có : pN2 = 1/4(P - pNH3 ) (4) pH2 = 3/4(p - pNH3 ) (5) Thay (4), (5) vào (1) ta thu được P2 = 1,50.10 -5 NH 3 27 (p pNH3 )4 256 Hay : PNH3 1,26.103 (6) (p pNH3 )2 Với p =500 atm thì ta có phương trình: 1,26.10-3 p2NH3 - 2,26. pNH3 + 315 = 0 (7) Với p = 1000 atm thì phương trình là: 1,26.10-3 p2NH3 -3,52. pNH3 + 1,26.10-3 = 0 (8) Giải các phương trình (7), (8) ta được : Ở 500 atm: =pNH3 152,00 atm ; Ở 1000 atm: =pNH3 424,00 atm Nếu gọi α, α‟ là số phần trăm hỗn hợp ban đầu đã chuyển hoá thành NH3 ở p =500 atm và p = 1000 atm. Ta có: = 152/500 (9) 2 ' = 424/1000 (10) 2 ' Giải các phương trình trên ta có : = 46,62% ; ' = 59,55%. Câu 4: Cho 18,4gam N2O4 vào bình chân không dung tích không đổi 5,904 lít ở 27oC, xảy ra phản ứng: N2O4 (k) 2NO2 (k) Lúc cân bằng áp suất trong bình là 1,0 atm. a. Tính áp suất riêng phần mỗi khí lúc cân bằng. b. Tính độ phân li α của N2O4 ở 27oC. c. Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng ở 400K chấp nhận hiệu ứng nhiệt của phản ứng không đổi trong khoảng nhiệt độ khảo sát và bằng 58,04 kJ. Kết quả thu được có phù hợp với nguyên lý Le Chatelier không? Giải thích. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 10
Lấy N = 14; O = 16; R = 8,314 J/(mol.K) = 1,987 cal/(mol.K). (Đề xuất THPT Chuyên Hoàng Lê Kha – Tây Ninh – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: a) Số mol N2O4 = 0,2 mol N2O4 (k) 2NO2 (k) Số mol ban đầu 0,2 Số mol cân bằng 0,2-x 2x Tổng số mol khí lúc cân bằng: 0,2 + x n hh . 22, 4 .(27 273) 273 Ta có: Pcb = 1 nhh = 0,2 + x = 0,24 5, 904 x = 0,04 mol =PN2O4 0, 2 x 2 PNO2 = 0, 2x x Pcb 1 atm. 0, 2 x Pcb atm; 2 3 3 b) α(27oC) = 0, 2 x 0,8 80% . 0, 2 c) Kp (300K) = (1/ 3)2 = 1/6 (atm) (2 / 3) ln K p,300 H 1 1 Kp,400 = 56,02 atm. K p,400 R 400 300 Kết quả phù hợp với nguyên lí Le Chatelier vì nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt, tức chiều tạo ra NO2. Câu 5 : Nung 5,32 gam FeSO4 trong bình chân không kín, dung tích 1,0 lít ở 650oC. Khi đó xảy ra phản ứng hóa học sau 2FeSO4(r) Fe2O3(r) + SO3(k) + SO2(k) (1) SO3(k) SO2(k) + ½O2(k) (2) Sau khi các phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì tổng áp suất của hệ là 634,6 mmHg và áp suất riêng phần của oxi là 20,9 mmHg. 1. Tính hằng số cân bằng Kp ở 650oC của các phản ứng (1) và (2). 2. Tính phần trăm khối lượng FeSO4 đã bị phân hủy. (Đề xuất THPT Chuyên Hạ Long Quảng Ninh – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1. Ta có: nFeSO4 = 0,035mol = a mol; P = 634,6/760 = 0,835 atm; ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 11
PO2 = 20,9/760 = 0,0275atm 2FeSO4(r) Fe2O3(r) + SO3(k) + SO2(k) (1) Cân bằng: a – 2x x x–y x+y mol SO3(k) SO2(k) + ½O2(k) (2) Cân bằng: x – y x + y y/2 mol Tổng số mol khí lúc cân bằng: nt = x – y + x + y+ y/2 = 2x + y/2 = 0,835.1.0 = 0,011 mol (1) 0,082.(650 273,15) Mặt khác ta có: PO2 y / 2 .0,835 0,0275atm y = 7,246.10-4 mol (2) 2x y / 2 Từ (1) và (2) ta có: x = 5,319.10-3 mol = 7,341y Vậy: K p(1) PSO2 .PSO3 (x y)(x y) .P 2 (7, 3412 1).(7, 246.104 )2 .0,8352 0,160 (2x y/ 2)2 0, 0112 P .P1/2 P1/ 2 ( x y) 0,02751/2.8,341 = 0,218 O2 SO2 O2 K p(2) PSO3 6, 341 (x y) 2. Theo phương trình phản ứng (1): nFeSO4 pứ = 2x = 10,638.10-3 mol Phần trăm khối lượng FeSO4 đã bị phân hủy là 10,638.103 .100% 30,39% 0, 035 Câu 6: Nung 0,03 mol FeSO4 trong bình có thể tích là 3 lít, ở 929K, tại đó xảy ra 2 phản ứng: 2FeSO4(r) Fe2O3(r) + SO3(k) + SO2(k) (1) SO3(k) SO2(k) + 1 O2(k) (2) 2 Sau khi cân bằng được thiết lập, áp suất chung trong bình là 0,836 atm và áp suất riêng của oxi là 0,0275 atm. a. Tính Kp của mỗi phản ứng trên. b. Tính khối lượng FeSO4 còn lại trong bình ở thời điểm cân bằng. (Đề xuất THPT Chuyên Lê Khiết Quãng Ngãi – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: a. Xét 2 cân bằng : 2FeSO4(r) Fe2O3(r) + SO3(k) + SO2(k) (1) Ban đầu 00 CB x x SO3(k) SO2(k) + 1 O2(k) (2) 2 Ban đầu xx 0 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 12
CB x–y x+y y/2 Theo đề thì PO2 y 0, 0275 y 0, 055(atm) 2 Pcb PSO3 PSO2 PO2 0, 836 x y x y 1 y 2x 1 y 2 2 x 0, 40425(atm) PSO3 x y 0, 40425 0, 055 0,34925(atm) PSO2 x y 0, 40425 0, 055 0, 45925(atm) Nên KP1 PSO3 .PSO2 0, 34925.0, 45925 0,1604 KP2 P .P1/2 0, 45925.(0, 0275)1/2 0, 2181 SO2 O2 0, 34925 PSO3 b. Mol SO3 ở thời điểm cân bằng : nSO3 PSO3V 0, 34925.3 0, 01375(mol) RT 0, 082.929 Mà nFeSO4 pu 2nso3 2.0,01375 0,0275(mol) nên khối lượng FeSO4 còn lại là mFeSO4 (0, 03 0, 0275).152 0,38(gam) Câu 7. 1. Cho phản ứng 2NO2 (k) N2O4 (k) có Kp = 9,18 ở 250C. Hỏi ở cùng nhiệt độ phản ứng xảy ra theo chiều nào trong điều kiện sau: P(N2O4) = 0,9atm ; P(NO2)= 0,1 atm. 2. Cho cân bằng hóa học: N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k) ; 0 = - 46 kJ.mol-1 . Nếu xuất phát từ hỗn hợp chứa N2 và H2 theo tỉ lệ số mol đúng bằng hệ số tỉ lượng 1: 3 thì khi đạt tới trạng thái cân bằng (450oC, 300 atm) NH3 chiếm 36% thể tích. a) Tính hằng số cân bằng KP (ghi rõ đơn vị nếu có). b) Giữ áp suất không đổi (300 atm), cần tiến hành ở nhiệt độ nào để khi đạt tới trạng thái cân bằng NH3 chiếm 50% thể tích? Giả sử 0 không thay đổi trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu. Cho phương trình Van’t Hoff: ln K2 H 0 1 1 K1 R T1 T2 (Đề xuất THPT Chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm Quảng Nam – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1 2NO2 N2O4 Kp=9,18. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 13
Xét chiều phản ứng dựa vào công thức: ∆G=RTln Q . Kp Nếu Q < Kp → ∆G < 0: phản ứng diễn ra theo chiều thuận Nếu Q > Kp → ∆G > 0: phản ứng diễn ra theo chiều nghịch Nếu Q = Kp → ∆G = 0: phản ứng ở trạng thái cân bằng. Khi P(N2O4)= 0,9atm ; P(NO2)=0,1 atm ta có Q=0,9/(0,1)2 =90 > Kp nên phản ứng diễn ra theo chiều nghịch. a) N2 (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k); = -46 kJ.mol-1 Ban đầu (mol) 1 3 0 Cân bằng (mol) 1-x 3-3x 2x nsau = 1 – x + 3 – 3x + 2x = 4 – 2x (mol) %VNH 3 = 2x .100% = 36% x = 0,529 4 - 2x %VN 2 = 1 x .100% = 1 0,592 .100% = 16% 4 - 2x 4 2.0,592 %VH 2 = 100 - (36 + 16) = 48% K p1 = P2 = 0,362.P 2 = 0, 362 = 8,14.10-5 . NH 3 0,16 0, 483 3002 P P3 0,16.P.0,48.P3 H2 N2 b) Từ % VNH3 2y 50% y 2 42y 3 % VN2 1 y 1 2 / 3 12,5% ; % VH2 3(1 y) 3(1 2 / 3) 37,5% 42y 4 2.2 / 3 42y 4 2.2 / 3 K p2 = P2 = 0,52 = 4,21.10-4 NH 3 0,125.0,375 3.300 2 P P3 H2 N2 ln K P 2 H 0 1 1 1 1 R KP 2 R T2 T1 T1 T2 H 0 K P1 K P1 = ln 1= 1- R ln KP 2 = 450 1 273 8, 314 .ln 4, 21.104 T2 = 595,19K H 0 KP1 46.103 8,14.105 T2 T1 Câu 8. Cho hỗn hợp cân bằng trong bình kín: N2O4 (k) 2NO2 (k) (1) Thực nghiệm cho biết: Khi đạt tới trạng thái cân bằng ở áp suất chung 1 atm - ở 350C hỗn hợp có khối lượng mol trung bình M hh = 72,45 g/mol - ở 450C hỗn hợp có khối lượng mol trung bình M hh = 66,8 g/mol 1. Hãy xác định độ phân li của N2O4 ở mỗi nhiệt độ trên. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 14
2. Tính hằng số cân bằng KP của ( 1 ) ở mỗi nhiệt độ (lấy tới chữ số thứ ba sau dấu phẩy). 3.Hãy cho biết phản ứng theo chiều nghịch của phản ứng (1) là thu nhiệt hay tỏa nhiệt? Giải thích? (Đề xuất THPT Chuyên Hưng Yên – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1.Gọi a là số mol của N2O4 có trong 1 mol hỗn hợp. (1-a) là số mol của NO2. Ở 350C có M hh = 92a + 46 (1-a ) = 72,45 a = 0,575 n N2O4 = 0,575 và n NO2 = 0,425 N2O4 2NO2 n(bđ) x n(pư) 0,2125 0,425 n(cb) x- 0,2125 0,425 x - 0,2125 = 0,575 x = 0,7875 mol = 0,2125/0,7875 = 26,98% Ở 450C có M hh = 92a + 46(1-a) = 66,8 N2O4 2NO2 n(bđ) y n(pư) 0,27395 0,5479 n(cb) y-0,27395 0,5479 y –0,27395 = 0,4521 y = 0,72605 = 0,27395/0,72605= 37,73% 2. Ở 350C PNO2 = (0,425/ 1). 1 = 0,425 PN2O4 = (0,575/ 1). 1 = 0,575 KP = (0,425)2/ 0,575 = 0,314 Ở 450C P NO2 = (0,5479/ 1). 1 = 0,5479 ; P N2O4 = (0,4521/ 1). 1 = 0,4521 KP = (0,5479)2/ 0,4521 = 0,664 3. Độ điện li tăng , KP tăng nghĩa là phản ứng diễn ra theo chiều thuận. Khi tăng nhiệt độ phản ứng diễn ra theo chiều thuận, vậy chiều thuận là chiều thu nhiệt, chiều nghịch là chiều tỏa nhiệt. Câu 9. Người ta có thể điều chế hiđro rất tinh khiết từ metan và hơi nước (đây là một quá trình cân bằng).Trong quá trình này cacbon oxit được sinh ra và có thể phản ứng với hơi nước ở bước tiếp theo. a. Viết các phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình điều chế hiđro từ metan và hơi nước. b. Cho các số liệu thực nghiệm sau để tính Kp. Biết ở 1000C nước ở trạng thái hơi và đơn vị áp suất là bar. Giả sử ∆H0 và ∆S0 không đổi trong khoảng nhiệt độ từ 298K đến 373K ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 15
∆H0(kJ/mol) H2 H2O CO CH4 ∆S0 (kJ/mol.K) 0 -242 -111 -75 0,131 0,189 0,198 0,186 Cp (kJ/mol.K) 0,029 0,034 0,029 0,036 Trong bình phản ứng có chứa 6,40kg CH4, 7,2kg H2O, 11,2kg CO, 2,4kg H2 ở 1000C. Dung tích bình V=3,00m3. c. Cho biết chiều dịch chuyển cân bằng của phản ứng tại thời điểm trên. Metan và hiđro đem trộn với tỉ lệ 1:1 và cho vào một bình kín, đun nóng đến 9000C. Với chất xúc tác phản ứng đạt nhanh tới trạng thái cân bằng với áp suất chung là 20 bar. d. Tính Kp ở 9000C (giả sử Cp không phụ thuộc vào nhiệt độ) e. Tính phần trăm CH4 đã phản ứng ở 9000C. (Đề xuất THPT Chuyên Hoàng Văn Thụ Hòa Bình – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: a. Phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình điều chế hiđro từ metan và hơi nước. CH4(k) + H2O(k) → CO(k) + 3H2(k) COk) + H2O(k) → CO2(k) + H2(k) b. Kp ở 1000C ΔH0 =ΔH0 =-111+242+75=206(kJ) 298 373 ΔS0 =ΔS0 =3.0,131+0,198-0,186-0,189=0,216(kJ/K) 298 373 ΔG0298 =206 373.0, 216 125, 432(kJ) Kp =e-125432/8,314.373 =2,716.10-8 (p:bar) c. Chiều dịch chuyển cân bằng của phản ứng. Phần mol của từng khí: n(H2) = 1200 mol n(H2O) = n(CO) = n(CO2) = 400 mol n = 2400 mol x(H2) = 0,5 x(H2O) = x(CO) = x(CO2) = 0,167 Áp suất chung của hệ: P= nRT = 2400.8,314.373 =2,48.106 hay P=24,8 bar V3 p(H2) = 12,4 bar p(H2O) = p(CO) = p(CO2) = 4,133 bar Q= 12,43.4,133 =461,317>Kp(373) =2,74.10-8 4,1332 Hay ΔG=ΔG0 +RTlnQ=RTln Q =8,314.373.ln 461,317 =1,44.105(J) 16 K 2,74.10-18 Cân bằng chuyển dịch sang trái. d. Kp ở 9000C Cp = 3.0,029 + 0.029 – 0,036 – 0,034 = 0,046 (kJ/mol) ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33
ΔH10173 =206+(1173-298).0,046=246.25(kJ) ΔS10173 =0,216+0,046ln 1173 =0,279(kJ/K) 298 ΔG0 =246,25-1173.0,279 81, 017(kJ) 1173 Kp =e-81017/8,314.1173 =4054(bar) CO 0 e. Tính phần trăm CH4 đã phản ứng ở 9000C. CH4 + H2O → H2 + n0 1 1 0 CB 1-x 1-x 3x x pi 1-x .20 1-x .20 3x .20 x .20 2+2x 2+2x 2+2x 2+2x Kp = PCO .PH3 2 =4054 x = 0,7419 PCH4 .PH2O Phần trăm CH4 đã phản ứng ở 9000C là 74,2% Câu 10. N2O4 tồn tại dưới dạng cân bằng với NO2 theo phương trình: N2O4 (k) ⇌ 2NO2 (k) 1,0 mol N2O4 được đưa vào bình rỗng với thể tích cố định 24,44 lit. Áp suất khí tại cân bằng ở 298K là 1,190 bar. Giá trị entropi chuẩn (S0) của N2O4 (k) = 304,10 J.mol-1.K-1 và NO2 = 240,05 J.mol-1.K-1. Coi ∆S0, ∆H0 không phụ thuộc nhiệt độ. 1. Tính hằng số cân bằng Kp, Kc tại 298K 2. Tính áp suất bình phản ứng tại 348K (Đề xuất THPT Chuyên Nguyễn Trãi Hải Dương – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1 N2O4 ⇌ 2 NO2 n0 1 0 mol cb 1 - x 2x ntổng, cb = 1 - x + 2x = 1 + x (mol) ntong , cb PV (1,190 /1, 013).24, 44 1,175 (mol) RT 0, 082.298 Với P= 1,190 bar = (1,190/1,013 ) atm Lại có 1,175 = 1 + x x = 0,175 (mol) Tại cân bằng ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 17
PN2O4 1 x Ptong 1 0,175 .1,190 bar 0,836 bar 1 x 1 0,175 PNO2 2x .Ptong 2.0,175 .1,190 bar 0,354 bar 1 x 1 0,175 K p,298 (PNO2 )2 (0, 354)2 0,1499 PN2O4 0, 836 KC = Kp.(RT)-∆n = 0,1499.(0,082.298)-1 =6,13.10-3 2. Tại 298 K, G0 RT ln K298 8,314.298.ln(0,1499) 4702 (J mol1) 4, 70 (kJ mol-1) = ∆H0 – 298∆S0 Mà ∆S0 = 0,176 kJ·mol–1·K–1 ⇒ ∆H0 = 57,148 (kJ·mol–1) ln K348 H 0 1 1 57148 1 1 K298 R 298 348 8,314 298 348 ln K348 ln K298 57148 . 1 1 ln 0,1499 57148 . 1 1 1, 4163 8, 314 298 348 8, 314 298 348 → Kp,348 = 4,122 (bar) Tại 348K, áp suất ban đầu của N2O4: P0 nRT 1.0, 082.348 1,168atm 1,183bar N2O4 V 24, 44 N2O4 ⇌ 2 NO2 P0 1,183 cb 1,183-y 2y K P ,348 (2 y)2 y 4,122 ⇒ y= 0,703 1,183 Áp suất cân bằng ở 348K là 1,183+y=1,886 bar Câu 11. Đối với phản ứng: A(k) + B(k) C(k) Ở 300oC và áp suất 200atm, hằng số cân bằng của phản ứng Kp = 0,860. 1. Tính áp suất riêng phần của các chất ở điều kiện trên biết tỉ lệ mol của A và B ban đầu trùng tỉ lệ phản ứng. 2. Giả sử ở nhiệt độ 150oC hằng số cân bằng của phản ứng là 6,8. 10-2, tính So của phản ứng, biết rằng So và Ho thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ trên . (Đề xuất THPT Chuyên Lê Quý Đôn Điện Biên – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 18
A(k) + B(k) C(k) Gọi áp suất riêng phần của A và B tại thời điểm cân bằng là P, do đó áp suất riêng phần của C là (200-2P) Ta có (200-2P)/P2 = 0,86 (0 < P < 200) Giải ra ta có riêng phần của A và B ở trạng thái cân bằng P = 14.131 atm Áp suất riêng phần của C tại trạng thái cân bằng là: 200 - 2×14,131 = 171.738 atm T1 = 273 + 300 = 573 K T2 = 273 + 150 = 423 K G573 = H573 - 573S573 G423 = H423 - 423S423 G423 - G573 = 150 So (do So và Ho không đổi theo nhiệt độ) So = + 58,23 J/K Câu 12. NO và NO2 là các chất gây ô nhiễm. Chúng được hình thành chủ yếu từ sấm sét và do quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ. Ở nhiệt độ cao NO có thể phản ứng với H2 tạo ra khí N2O là 1 chất gây ra hiệu ứng nhà kính. 2 NO(k) + H2(k) N2O(k) + H2O(k) (1) Nghiên cứu động học của phản ứng này tại 820oC cho kết quả ở bảng sau: STT Áp suất ban đầu (kPa) Tốc độ hình thành N2O (Pa.s-1) PNO PH2 1 16,0 8,0 11,53 2 8,0 8,0 2,88 3 8,0 24,0 8,65 (Không dùng nồng độ trong bài này.) a. Xây dựng phương trình tốc độ phản ứng cho phản ứng (1) và xác định hằng số tốc độ của phản ứng này tại 820oC. b. Tính tốc độ tiêu thụ ban đầu của NO trong hỗn hợp có áp suất của NO là 26,7 kPa và H2 là 13,3 kPa tại 820oC. (nếu không tính được hằng số tốc độ k ở câu a) thì dùng giá trị 5,5.10-12) c. Trong hỗn hợp gồm NO và H2 với áp suất ban đầu của NO là 106,6 kPa và của H2 là 0,133 kPa. Hãy tính thời gian để áp suất riêng phần của H2 giảm xuống còn một nửa giá trị ban đầu. Hãy giải thích ngắn gọn để đơn giản hóa biểu thức tốc độ phản ứng. (Nếu không tính được hằng số tốc độ k ở câu a) thì dùng giá trị 5,5.10-12) (Đề xuất THPT Chuyên Đại học sư phạm Hà Nội – Khối 10 – Năm học 2016-2017) ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 19
Hướng dẫn giải: a. v = k∙P(NO)a∙P(H b a=2 b=1 2) TN1:k1= 11,53 ������������.������−1 =5,630.10-12 Pa-2.s-1 (16000������������)2.8000������������ Tương tự: k2= 5,625∙10-12 Pa –2∙s-1 k3= 5,632∙10-12 Pa –2∙s-1 k= 5,629.10-12 Pa-2.s-1 b. v= - 1 ∆������(������������)=5,629.10-12 .(26700)2.13300 = 53,38 Pa.s-1 2 ∆������ ∆������(������������)= - 106,76 Pa.s-1 ∆������ (nếu dùng k= 5,5.10-12 thì v= 52,14 Pa.s-1 và ∆������(������������)= - 104,31 Pa.s-1) ∆������ c. P(NO) ≫ P(H 2) ⇒ v = k„∙P(H 2) với k‟ = k∙P(NO)2 k‟ = 5,63∙10-12 Pa –2∙s-1∙ (106600 Pa)2 = 0,064 s-1 t1/2 = ln2/k‟ t1/2 = 10,8 s (nếu dùng k= 5,5.10-12 thì t1/2= 11,1 s) Câu 13. Ở 270C, phản ứng: N2O4(k) 2 NO2(k), có hằng số cân bằng Kp = 0,17 atm. 1. Tính thành phần phần trăm số mol của hỗn hợp khí khi áp suất chung của hệ lần lượt bằng 1 atm và 10 atm. 2. Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng trên ở 630C. Biết rằng nhiệt hình thành chuẩn ở 250C của N2O4 và NO2 bằng 9,7 và 33,5 kJ/mol. Giả thiết rằng nhiệt của phản ứng, ∆H0, không phụ thuộc vào nhiệt độ. 3.Từ các kết quả thu được ở trên có thể rút ra kết luận gì về ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến sự dịch chuyển cân bằng? Đồng thời liên hệ các kết quả đó với nguyên lí Lơ Sa–tơ–li–ê. 4. Cho biết chiều hướng chuyển dịch cân bằng khi: - Giữ áp suất và nhiệt độ của hệ không đổi, thêm vào hệ một lượng khí Ar. - Giữ thể tích và nhiệt độ của hệ không đổi, thêm vào hệ một lượng khí Ar. (Đề xuất THPT Chuyên Bắc Ninh – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1. Xét cân bằng: N2O4(k) 2 NO2(k) Ban đầu 1 (mol) Cân bằng: 1-x 2x (mol) → ∑ nkhí = 1 + x (mol) p2 ( 2x )2.p2 (2x)2.p 0,17 NO2 1 x (1 x).(1 x) Có Kp 1 x .p pN2O4 1 x - Khi p = 1atm thì x = 0,2019 mol →% về số mol: N2O4 66,403%; NO2: 33,597% 20 - Khi p= 10 atm thì x = 0,065 mol → % về số mol: N2O4 87,79%; NO2: 12,21% ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33
2. H0pu 2.Hs0(NO2 ) H 0 57,3(kJ / mol) N2O4 Ta có: ln 0,17 57, 3.103 . 1 1 ln K1 H ( 1 1 ) → ln 0,17 57, 3.103 . 1 1 K2 8, 314 300 336 K2 R T1 T2 K2 8, 314 300 336 → K336K = 1,993 atm 3. Từ kết quả phần 1 ta thấy: Khi p = 1 atm thì % NO2 = 33,597%. Khi tăng P = 10 atm thì %NO2 = 12,21% < 33,59% chứng tỏ khi áp suất tăng cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, phù hợp với nguyên lý CDCB vì ∆n >0 Từ kết quả phần 2 ta có: Khi nhiệt độ tăng từ 270C đến 630C thì Kp tăng từ 017 đến 1,99. Chứng tỏ khi tăng nhiệt độ thì CBCD theo chiều thuận vì ∆H0 > 0. 4. Ta có: p = pNO2 + pN2O4 + pAr * p = const, T = const, thêm Ar thì pAr tăng nên tổng phệ (N2O4 và NO2) giảm → CBCD theo chiều thuận * p ≠ const, T = const, V = const thì p(N2O4 + NO2) = const → CB không chuyển dịch Câu 14. Khí N2O4 kém bền, bị phân ly một phần theo phương trình: N2O4 ⇌ 2NO2 (1) Thực nghiệm cho biết các số liệu sau khi (1) đạt tới trạng thái cân bằng ở áp suất chung 1 atm: (0oC) 35 45 Nhiệt độ Mh (g) 72,45 66,80 ( Mh là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí ở trạng thái cân bằng) a) Tính độ phân ly của N2O4 ở các nhiệt độ đã cho. b) Tính hằng số cân bằng Kp của (1) ở mỗi nhiệt độ trên. c) Cho biết (1) là phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt. Giải thích? (Khi tính lấy tới chữ số thứ 3 sau dấy phẩy). (Đề xuất THPT Chuyên Bắc Giang – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1. a) Đặt a là số mol N2O4 có ban đầu, là độ phân li của N2O4 ở toC xét cân bằng: N2O4 ⇌ 2NO2 số mol ban đầu a0 số mol chuyển hóa a 2a số mol lúc cân bằng a(1 - ) 2a Tổng số mol khí tại thời điểm cân bằng là a(1 + ) Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí: Mh 92a 92 a(1 ) 1 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 21
oC thì Mh = 72,45 1 92 = 72,45 = 0,270 hay 27% oC thì Mh = 66,8 = 0,337 hay 33,7% NO2 2 2a 2 N2O4 V b) Ta có Kc = a(1 ) 4a2 (1 )V V V là thể tích (lít) bình chứa khí Và PV = nS. RT RT = PV PV nS a(1 ) Thay RT, Kc vào biểu thức KP = Kc. (RT)n ở đây n =1 KP = 4a2 . PV P.4.2 (1 )V a(1 ) 1 2 ở 35oC thì = 0,27 KP = 0,315 ở 45oC thì = 0,337 , = 0,513 Kp c) Vì khi tăng nhiệt độ từ 35oC 45oC thì độ điện li của N2O4 tăng (hay KP tăng) Chứng tỏ khi nhiệt độ tăng thì cân bằng chuyển sang chiều thuận (phản ứng tạo NO2) do đó theo nguyên lí cân bằng Lơ Satơliê (Le Chatelier) thì phản ứng thuận thu nhiệt. Câu 15. Kp = 1,50.10-5. 1. Hằng số cân bằng Kp ở t0C của phản ứng: N2 ( k) + 3 H2 (k) 2 NH3(k) Một hỗn hợp N2 và H2 với t lệ số mol tương ứng là 1 : 3. Tính độ chuyển hoá α nếu phản ứng được thực hiện ở áp suất 500 atm (áp suất này được giữ không đổi trong suốt tiến trình phản ứng) 2. Xúc tác V2O5 tạo với SO2 sản phẩm trung gian theo cân bằng: V2O5(r) + SO2 (k) V2O4(r) + SO3 (k) bằng thực nghiệm đo được giá trị PSO3 ở hai nhiệt độ 830K và 900K tương ứng là 10-1,82 PSO2 và 10-1,7. Tính H0 và S0 của phản ứng, giả thiết H0 và S0 không thay đổi khi nhiệt độ biến thiên. (Đề thi HSG các trường THPT Chuyên khu vực duyên hải và Đồng Bằng Bắc Bộ năm 2017) Hướng dẫn giải: 1. Theo giả thiết ta có: P2 = 1,50.10-5 (1) NH3 PN2 .p2H2 Vì t lệ n(N2) : n(H2) = 1:3 nên ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 22
pH2 = 3 pN2 (2) pH2 + pN2 + pNH3 = p (với p là áp suất chung của hệ) (3) Từ (2) và (3) ta có : pN2 = 1/4(p - )pNH3 (4) (5) pH2 = 3/4(p - )pNH3 Thay (4), (5) vào (1) ta thu được p2 = 1,50.10 -5 Hay : pNH3 1, 26.103 NH3 ( p pNH3 )2 27 ( p pNH3 )4 256 (6) Với p =500 atm thì ta có phương trình: 1,26.10-3 p2NH3 - 2,26. pNH3 + 315 = 0 (7) Giải phương trình (7) ta được : pNH3 = 152,00 atm ; pN2 87atm nN2 pu pNH3 46, 625% nN2 bd 2 pN2 pNH3 2 2. Xét phản ứng: V2O5(r) + SO2 V2O4(r) + SO3. Hằng số cân bằng của phản ứng là: Kp = PSO3 . PSO2 Ta tính được: ΔG0 (830) = -RTlnKp = 28,92 kJ ΔG0 (900) = -RTlnKp = 29,29 kJ . Từ đó ta có hệ: H0 830S0 28,92 H0 900S0 29,29 ΔH0 = 24,53kJ ; ΔS0 = -5,29.103 kJ/K=-5,29 J/K Câu 16. Thực hiện phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 1.Ban đầu cho vào bình phản ứng NOCl, thực hiện phản ứng ở 3000C. Khi hệ đạt trạng thái cân bằng thấy áp suất trong bình là 1,5 atm. Hiệu suất của phản ứng là 30%. Tính hằng số cân bằng của phản ứng. 2.Ở nhiệt độ 3000C, phản ứng có thể tự xảy ra được không? Vì sao? 3.Thực hiện phản ứng và duy trì áp suất của hệ phản ứng ở điều kiện đẳng áp: 5 atm. Tính phần trăm số mol của các khí ở trạng thái cân bằng? 4.Một cách cẩn thận, cho 2,00 gam NOCl vào bình chân không có thể tích 2,00 lít. Tính áp suất trong bình lúc cân bằng ở 3000C. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 23
(Đề xuất THPT Chuyên Thái Nguyên – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: 1. Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) x x-2a 2a a suy ra tổng áp suất của hệ: x + a = 1,5 và H = 2a/x = 0,3. Ta có : a = 0,196 và x = 1,304 KP = 0,036 2. Ta có K < 1 suy ra lnK < 1 nên ∆G0 > 0. Vậy phản ứng không tự xảy ra. 3. Ta có KP = 0,036 suy ra KC = 7,661.10-4. ( vì KP = KC.(RT)∆n) Cbđ = P/RT = 5/0,082.573= 0,106 Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 0,106 0,106 - 2a 2a a Suy ra a.(2a)2 KC 7, 661.104 Vậy a = 0,011. (0,106 2a)2 NO: 18,8%. Phần trăm NOCl: 71,8%; Cl2: 9,4%; 4. Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 0,717 0,717 - 2a 2a a Suy ra a.(2a)2 KP 0, 036 Vậy a = 0,125. (0, 717 2a)2 Áp suất trong bình khi hệ đạt trạng thái cân bằng là 0,842 atm. Câu 17. Khí N2O4 kém bền, bị phân ly một phần theo phương trình: N2O4 2NO2 (1) Thực nghiệm cho biết các số liệu sau khi (1) đạt tới trạng thái cân bằng ở áp suất chung 1 atm: Nhiệt độ (oC) 35 45 Mh 72,45 66,80 ( Mh là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí ở trạng thái cân bằng) a) Tính độ phân ly của N2O4 ở các nhiệt độ đã cho. b) Tính hằng số cân bằng Kp của (1) ở mỗi nhiệt độ trên. (Đề xuất THPT Chuyên Hùng Vương Phú Thọ – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: a) Đặt a là số mol N2O4 có ban đầu, là độ phân li của N2O4 ở toC xét cân bằng: N2O4 2NO2 số mol ban đầu a0 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 24
số mol chuyển hóa a 2a số mol lúc cân bằng a(1 - ) 2a Tổng số mol khí tại thời điểm cân bằng là a(1 + ) Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí: Mh 92a 92 a(1 ) 1 ở 35oC thì Mh = 72,45 92 = 72,45 = 0,270 hay 27% 1 ở 45oC thì Mh = 66,8 = 0,337 hay 33,7% NO2 2 2a 2 N2O4 V b) Ta có Kc = a(1 ) 4a2 (1 )V V V là thể tích (lít) bình chứa khí Và PV = nS. RT RT = PV PV nS a(1 ) Thay RT, Kc vào biểu thức KP = Kc. (RT)n ở đây n = 1 KP = 4a2 . PV P.4.2 (1 )V a(1 ) 1 2 ở 35oC thì = 0,27 KP = 0,315 ở 45oC thì = 0,337 , = 0,513 Kp Câu 18. Một bình có thể tích ban đầu 1,5l , chỉ chứa 1g Cacbon và 3g Stronic Cacbonat (coi thờiđiểm ban đầu bình là chân không). Nung nóng bình ở thể tích không đổi đến 0C, các cân bằng xảy ra: SrCO3(r) SrO(r) + CO2(k) (1) C(r) + CO2(k) 2CO(k) (2) Khi hệ đạt cân bằng, áp suất đo được trong bình là 24kPa. Cho các thông số nhiệt độ chuẩn của 1 số chất liên quan: a) Xác định các hằng số Kp1 và Kp2 (theo bar) của các cân bằng ở 0C. CO2(k) Chất SrO3(r) SrO(r) -393,5 Hof -1220,1 -592 (kJ/mol) S (J/K.mol) 97 55,5 218,8 b) Xác định hàm lượng phần trăm theo các chất rắn khi hệ cân bằng. c) Giữ nguyên nhiệt độ và áp suất, tăng thể tích bình đến bao nhiêu lít thì một trong hai ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 25
chất rắn ban đầu biên mất. d) Lượng Cacbon ban đầu được giữ không đổi, xác định khối lượng SrCO3 tối thiểu cần thêm vào để khi thực hiện thí nghiệm như phần c thì chất rắn còn lại là SrO. (Đề xuất THPT Chuyên Lào Cai – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: a) SrCO3(r) SrO(r) + CO2(k) (1) 1bar = 105Pa Hof= HofCO2 + HofSrO - HofSrCO3 =(-393,5) +(-592) + (-1220,1) = 234,6 kJ/mol So= SoCO2 + SoSrO- SoSrCO3 = 177,3 J/mol.K ⇒Go= Ho - TSo=30173,1 J/mol =-RTlnK ⇒ lgK p1= -1,367=>K p1=0,043 bar= PCO2 Khi hệ đạt cân bằng, áp suất đo được trong bình là 24kPa = 0,24bar ⇒ PCO = 0,179bar SrO(r) + CO2(k) (1) ⇒ Kp2=0,903 bar b) nC= 0,0833 mol; nSrCO3= 0,02033 mol SrCO3(r) C(r) + CO2(k) 2CO(k) (2) nCO2=������ 0,043.1,5 , . -4 mol 0,082.1153 nCO=������ 0,197.1,5 = 3,1255. 10-3 mol 0,082.1153 ⇒ Tại cân bằng nC = 0,0833- 1(3,1255. 10-3 ) = 0,082 mol ⇒ m=0,984g 2 Lượng CO2 tạo ra ở quá trình (1): , . -4+ 1 (3,1255. 10-3 ) = 2,245.10-3 mol 2 ⇒ nSrO =2,245.10-3mol ; nSrCO3= 0,018 mol ⇒ Σm= 3,873382 ⇒ %C= 25,4%; %SrCO3=68,6% ⇒ %SrO=6% c)Ta có: nC>nSrCo3⇒Chất rắn biến mất là SrCO3 ⇒ nCO2ở (1) =nSrCo3= 0,02033 mol MàΣPCO2= PCO2 cb + 21PCOcb =0,1415 atm ⇒ V= ������ 13,584 lít .13,7 d) Để SrO còn lại ⇒ C phải hết ⇒ nSrCO3=nC=0,0833 mol ⇒ nSrCO3=147,6. 0,0833=12,3 g ⇒ m=9,3 g Câu 19. Cho cân bằng : COCl2 CO + Cl2 Tiến hành hai thí nghiệm: Thí nghiệm 1: Cho một lượng COCl2 vào bình kín thể tích V tiến hành nhiệt phân ở nhiệt ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 26
độ T. Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng thấy độ phân li của COCl2 là 0,25, áp suất của hỗn hợp khí A trong bình là 1atm. Thí nghiệm 2: Cho vào bình trên cùng một lượng COCl2 như thí nghiệm 1 và một lượng Cl2 có số mol đúng bằng số mol Cl2 có trong hỗn hợp khí A rồi tiến hành phản ứng ở cùng nhiệt độ T. Tính độ phân ly của COCl2 ở thí nghiệm 2. (Đề xuất THPT Chuyên Quốc Học Huế – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: Gọi a = nCOCl2 ban đầu; α = 0,25 là độ phân li của COCl2 ở nhiệt độ T và áp suất P = 1 atm (thí nghiệm 1) Ban đầu COCl2 (k) CO k) + Cl2 (k) a 0 0 Cân bằng a(1- α) aα aα PCO .PCl2 (P α )2 α2 PCOCl2 1-α P 1-α2 KP,T = = 1-α = 1+α P KP,T = 0,252 = 1/15 1.1-0,252 nCl2 thêm vào = 0,25a Gọi P‟ là áp suất của cân bằng ở nhiệt độ T, thể tích V, α‟ là độ phân li của COCl2 ở thí nghiệm 2, ta có: COCl2 (k) CO k) + Cl2 (k) 0,25a Ban đầu a0 Cân bằng a(1- α‟) aα‟ a(α‟+0,25) KP,T = PCO .PCl2 = α'(α' 0, 25) = 1/15 (*) PCOCl2 P' (1-α')(α' 1, 25) Cùng điều kiện T, V nên P = a(1+α) = 1,25 P' a(1,25+α') 1,25+α' P‟ = 1,25+α' : thay vào phương trình (*) ta được: 1, 25 α' 1, 25 . α'(α' 0, 25) 1 α'(α' 0, 25) 1 1, 25 (1-α')(α' 1, 25) 15 1, 25(1-α') 15 12α‟2 + 4α‟ – 1 = 0 α‟ = 1/6 P‟ = 1,13 atm Câu 20. Khí hidro được điều chế trong công nghiệp bằng cách nung nóng hydrocacbon như metan với hơi nước : CH4 (k) + H2O (k) 3H2 (k) + CO (k) a) Cho các dữ kiện nhiệt động sau, hãy tính ΔrG của phản ứng A ở 298K và từ đó tính giá trị hằng số cân bằng Kp. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 27
ΔfH (298) / kJ mol–1 S (298) / J K–1 mol–1 CH4 (k) –74.4 186.3 H2O (k) –241.8 188.8 H2 (k) 130.7 CO (k) –110.5 197.7 b) Hằng số cân bằng biến đổi như thế nào theo nhiệt độ ? Quá trình sản xuất trong công nghiệp có thể thực hiện ở áp suất thường, nhiệt độ cao mà không cần xúc tác. Thực tế trong hỗn hợp ở trạng thái cân bằng có 0,2% thể tích metan. c) Giả sử phản ứng bắt đầu với những thể tích bằng nhau của metan và hơi nước, tính hằng số cân bằng Kp cho quá trình sản xuất trong công nghiệp , cho biết ở trạng thái cân bằng có 0,2% thể tích metan. d) Dùng kết quả câu (c) , hãy tính nhiệt độ đã dùng trong công nghiệp để điều chế hydro từ metan. (Đề xuất THPT Chuyên Trần Phú Hải Phòng – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: r H 110.5 (74.4) (241.8) 205.7 kJ mol1 r S 197.7 3 130.7 186.3 188.8 214.7 J mol1 K1 a) rG r H Tr S 205700 298 214.7 141700 J mol1 141.7 kJ mol1 rG RT ln K p Kp exp( rG) exp( 141700 ) 1.44 1025 RT 8.314 298 b) Đối với phản ứng thu nhiệt ), sự tăng nhiệt độ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành sản phẩm , nghĩa là làm tăng hằng số cân bằng. c) Đối với khí lí tưởng, % thể tích là % về số mol Nếu còn lại 0,2% thể tích CH4 thì % thể tích H2O cũng bằng 0,2%. Còn lại 99,6% là sản phẩm H2 và CO theo tỉ lệ 3 : 1. Vì thế có 24.9% CO và 74.7% H2. a(H 2 )3 a(CO) ( p(H 2 ))3 ( p(CO)) (x(H2 ) ptot )3 (x(CO) ptot ) a(H 2O) a(CH4 ) p p p p Kp ( p(H 2O))( p(CH4 )) ptot ptot p p ( x(H 2O) p )(x(CH4 ) p ) x(H 2 )3 x(CO) ( ptot )2 x(H 2O) x(CH4 ) p Kp 0.7473 0.249 1013252 26640 0.002 0.002 1000002 d) Đường đẳng tích Van‟t Hoff : ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 28
ln K2 r H ( 1 1 ) K1 R T2 T1 T2 ( R ln K2 1 )1 1580K rH K1 T1 Câu 21. Cho m mol NH4I vào một bình chân không V = 3 (lít) rồi nung lên 600K và nhận thấy áp suất tăng nhanh chóng 2,6 atm do có cân bằng NH4I(r) NH3(k) + HI(k) (1). Sau đó áp suất lại tăng chậm do có cân bằng 2HI(k) H2(k) + I2(k) (2). Ở 600K hằng số cân bằng (2) K2 = 1,56.10-2. 1. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí khi cả hai cân bằng được thiết lập 2. Tính số mol NH4I tối thiểu phải dùng để thực hiện thí nghiệm trên. (Đề xuất THPT Chuyên Biên Hòa Hà Nam – Khối 10 – Năm học 2016-2017) Hướng dẫn giải: NH4I(r) NH3(k) + HI(k) (1) Khi chỉ có cân bằng (1) xảy ra: Pcb = 2,6 atm Mặt khác theo cân bằng (1): PNH3 PHI PNH3 PHI Pcb 1,3atm 2 K p(1) PNH3 .PHI (1, 3)2 1, 69 - Khi cả hai cân bằng được thiết lập: NH4I(r) NH3(k) + HI(k) (1) 2HI(k) H2(k) + I2(k) (2). K p(1) P' .PH' I (3) NH3 K p(2) PH2 .PI2 (4) P'2 HI Mặt khác theo cân bằng (2): PH2 PI2 (5) Thay vào (3): P'2 .K p (2) P2 PH2 PH' I . 1,56.102 0,125PH' I (6) HI H2 Lại có: nNH3 nHI còn nH2 nI2 P' PH' I PH2 PI2 PH' I 0,125.2.PH' I NH3 P' 1, 25PH' I (7) NH3 Thay (7) vào (3) ta được: 1, 25.PH' I .PH' I K p(1) 1, 69 PH' I 1,163atm P' 1,25.1,163 1,454(atm) NH3 PH2 PI2 0,125.1,163 0,145(atm) 2. Số mol NH4I tối thiểu cần để thực hiện thí nghiệm: ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 29
nNH4I nNH3 1, 454.3, 0 0, 0886(mol ) 0, 082.600 Câu 22. Iot là một nguyên tố vi lượng quan trọng trong cuộc sống và là nguyên tố nặng nhất mà các cơ thể sống cần được cung cấp mỗi ngày. Ở nhiệt độ cao cân bằng giữa I2(k) và I(k) được thiết lập. Bảng sau ghi lại áp suất đầu của I2(k) và áp suất chung khi hệ đạt đến cân bằng ở nhiệt độ khảo sát. T (K) 1073 1173 P(I2) 0.0631 0.0684 (Pacthmun)g 0.0750 0.0918 a) Tính(atHm°), G° và S° ở 1100 K. (Cho rằng H° và S° đều không phụ thuộc nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ khảo sát.) b) Tính phần mol của I(k) trong hỗn hợp cân bằng trong trường hợp trị số Kp lúc này bằng một nửa áp suất chung. c) Biết I2(k) và I(k) đều là khí lý tưởng. Tính năng lượng phân ly liên kết của I2 ở 298 K. d) Tính bước sóng của ánh sáng tới cân để cắt đứt liên kết trong I2(k) ở 298 K. e) Trong một thí nghiệm, khi chiếu xạ một mẫu I2(k) bằng tia laser có bước sóng λ =825.8 nm ở tốc độ 20.0 J·s-1 trong 10.0 s thì sinh ra 1.0×10-3 mol I(k). Tính hiệu suất lượng tử của quá trình phân cắt này (tức tính tỉ số mol I2 phân ly trên số mol photon hấp thụ). (Đề xuất THPT Chuyên Bắc Ninh – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: Có cân bằng: I2(k) ⇌ 2I(k) P(I2)o – x 2x Ở thời điểm cân bằng: P(I2)cb = P(I2)o – x Như vậy Pchung = P(I2)o + x Ở 1073K x = 0,0750 – 0,0631 = 0,0119 atm P(I)cb = 2x = 0,0238 atm P(I2)cb = 0,0631 – 0,0119 = 0,0512 atm K P(I )cb2 0, 01106 P(I2 )cb Tính tương tự cho thời điểm 1173K thu được K = 0,04867 Từ đây ta có: ln K1173 H o 1 1 H o 155, 052 J = 155 kJ K1073 R 1073 1173 Như vậy ở 1100K ta có ln K1100 H o 1 1 K1100 0, 0169 K1073 R 1073 1100 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 30
Go = -RTlnK = 37248,8J G = H - TS S = 107,1 J.K-1 a) Có cân bằng: I2(k) ⇌ 2I(k) P(I2)o – x 2x Ở thời điểm cân bằng: P(I2)cb = P(I2)o – x Như vậy Pchung = P(I2)o + x KP 4x2 x 1 P 1 P( I 2 )o x P(I2 )o 3x P(I2)o 2 2 Vậy Pchung = 4x và P(I2)cb = 2x. Tức phần mol I(k) lúc cân bằng là 0,50 b) Với khí lý tưởng đơn nguyên tử Cv, m = CV,m + R = 3/2R + R = 5/2R Với khí lý tưởng hai nguyên tử Cv,m = CV,m + R = 7/2R ∆Ho298 = Năng lượng liên kết I – I Do sự thay đổi nhiệt độ trở nên đáng kể ∆T = -802K ∆Ho298 = ∆Ho1100 + Cp∆T = 155052 + (298 – 1100) x (2 x 2,5 – 3,5)R = 145,050 kJ = 145 kJ c) H°298 = E = NA hC NA hC E = 6,022 103 6,631034 3,00108 = 825,8 nm = 826 nm 145050 d) E= hC (6,631034 3,00 108) = 2,409 1019 J 825, 8 109 N= Pt 20, 0 10, 0 = 8,30 1020 E 2, 4091019 n (photon) = N 8,301020 = 1,38 103 mol photon NA 6,22 1023 n (I2) = 1n (I) = 0,5 1,0103 = 5,0104 mol 2 Hiệu suất lượng tử = 5, 0 104 = 0,36 1, 38 103 Câu 23. Trong một hệ cân bằng: 3H2 + N2 2NH3 (1) được thiết lập ở 400K. Người ta xác định được áp suất phần: PH2 (Pa) PN2 (Pa) PNH3 (Pa) 0,376.105 0,125.105 0,499.105 a. Tính hằng số cân bằng KP và Go của phản ứng (1) ở 400K. Tính lượng N2 và NH3 biết hệ có 500 mol H2. b. Thêm 10 mol H2 vào hệ này, đồng thời giữ cho nhiệt độ và áp suất tổng cộng không đổi. Hãy cho biết cân bằng (1) dịch chuyển theo chiều nào? ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 31
(Đề xuất THPT Chuyên Hùng Vương – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 0, 499.105 2 a. KP P2 KP 1, 013.105 38, 45atm2 NH3 P3 .PN2 0, 376.105 3 0,125.105 H2 1, 013.105 . 1, 013.105 G0 RT ln K 8,314.400.ln 38, 45 12136J / mol 12,136kJ / mol n N2 nH2 .PN2 500 .0,125 166 mol PH2 0, 376 n NH3 nH2 .PNH3 500 .0, 499 664 mol PH2 0, 376 n 1330 mol; Phe 105 Pa b. Sau khi thêm 10 mol H2 vào hệ, n 1340mol PH2 510 .105 0,38.105 Pa ; PN2 166 .105 0,124.105 Pa ; PNH3 664 .105 0, 496.105 Pa 1340 1340 1340 0, 496.105 2 G G0 RT lnK 12136 8, 314.400. ln 1, 013.105 0, 38.105 3 0,124.105 1, 013.105 . 1, 013.105 118 J / mol 0 Vậy, cân bằng (1) dịch chuyển sang phải. Câu 24.Trong hệ có cân bằng: 3H2 + N2 2NH3 (1) được thiết lập ở 400K. Người ta xác định được các áp suất riêng phần sau đây: PH2 0,376.105 Pa, PN2 0,125.105 Pa PNH3 0,499.105 Pa a) Tính hằng số cân bằng KP và G0 của phản ứng (1) ở 400K. b) Tính lượng N2 và NH3 biết hệ có 500 mol H2. c) Thêm 10 mol H2 vào hệ đồng thời giữ cho nhiệt độ và áp suất tổng cộng không đổi. Bằng cách tính, hãy cho biết cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều nào? Cho: áp suất tiêu chuẩn P0 = 1,013.105 Pa, R = 8,314 J/mol.K (Đề xuất THPT Chuyên Hưng Yên – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: a KP P2 (0, 499.105 )2 3, 747.109 Pa2 NH3 (0,376.105 )3.(0,125.105 ) P3 .PN2 H2 K KP.P0n 3, 747.109.(1, 013.105 )2 38, 45 G0 RT ln K 8,314.400.ln 38, 45 12136J / mol ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 32
b PH2 nH2 .Phh nhh nH2 nhh Phh PH 2 nN2 nH2 .PN2 500 .0,125 166mol PH2 0, 376 nNH3 nH2 .PNH3 500 .0, 499 664mol PH2 0, 376 nhh 1330mol, Phh 1.105 Pa c. Sau khi thêm 10 mol H2 vào hệ nhh = 1340 mol PH2 510 .105 0,38.105 Pa, PN2 166 .105 0,124.105 Pa 1340 1340 PNH3 664 .105 0, 496.105 Pa 1340 G G0 RT ln Q , G0 RT ln K 12136J / mol P0n G 12136 8, 314.400 ln (0, (0, 496.105 )2 .(1, 013.105 )2 38.105 )3.0,124.105 G 118, 28J / mol Cân bằng (1) chuyển dịch sang phải. Câu 25. Ở 1000K có các cân bằng: C(r) + CO2(k) 2CO(k) Kp1 = 4 atm Fe(r) + CO2(k) FeO(r) + CO(k) Kp2 = 1,25 Trong xi lanh có dung tích 20 lít ở 1000K người ta đưa vào 1mol Fe; 1mol C và 1,2mol CO2. a. Tính số mol từng chất khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng. b. Thể tích bình cần thiết lập tối thiểu bằng bao nhiêu để C tham gia phản ứng hết. (Đề xuất THPT Chuyên Thái Bình – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: a. Xét các cân bằng: C(r) + CO2(k) 2CO(k) Kp1 = 4 Kp2 = 1,25 Kp1 = PC2O 4 (1) PCO2 Fe(r) + CO2(k) FeO(r) + CO(k) Kp2 = PCO 1,25 (2) PCO2 Từ 1 và 2 tính được PCO = 3,2 atm; PCO2 = 2,56 atm Áp dụng công thức PV = n.R.T Tính được tại thời điểm cân bằng có: ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 33
nCO PCO .V 0,78 mol R.T nCO2 PCO2 .V 0,624 mol R.T Bảo toàn C có: nC = 1 + 1,2 – 0,78 – 0,624 = 0,796 mol Bảo toàn O có: nFeO = 1,2.2 – 0,78 – 0,624.2 = 0,372 mol Bảo toàn Fe có: nFe = 1 – 0,372 = 0,628 mol b. Xét thể tích bình là V có: Bảo toàn C có: nC = 1 + 1,2 – (3,2 2,56).V (3) 22,4 .1000 273 Để C phản ứng hết thì tại thời điểm cân bằng nC = 0 V = 31,34 lít Kiểm tra: Tại thời điểm cb này có: nCO PCO .V 1,22226 mol R.T nCO2 PCO2 .V 0,977808 mol R.T Bảo toàn O có: nFeO = 1,2.2 – 1,22226 – 2.0,977808 = -0,777876 <0 Vậy không thiết lập được thể tích bình thỏa mãn đk bài toán. Câu 26. Ở 8200C cân bằng sau có KP1 = 0,2. Người ta cho 0,1 mol CaCO3 vào bình chân không có pittong giữ ở V = 22,4 L và 8200C. 1. Tính thành phần của hệ khi cân bằng. 2. Người ta tăng dần thể tích V. Vẽ đồ thị biểu diễn áp suất chung P theo V. 3. Trong cùng điều kiên trên, người ta thêm vào hệ 0,2 mol cacbon graphit và cân bằng sau được thiết lập đồng thời: Tại cân bằng, 3 chất rắn (C, CaCO3, CaO) cùng có mặt và áp suất chung của hệ bằng 1,6 atm. Tính hằng số cân bằng KP2 của cân bằng này. Để 2 cân bằng trên cùng tồn tạị thì lượng CaCO3 cho vào phải thỏa mãn điều kiện gì ? (Đề xuất THPT Chuyên Quốc Học Huế – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 34
Lúc cân bằng: KP = PCO2 = 0,2 atm ⇒ nCO2 = 2. = 0,2.22,4 = 0,05 mol 0,082.(273:820) ⇒ Thành phần lúc cân bằng: n(CO2) = n(CaO) = 0,05 mol; n(CaCO3) = 0,1 – 0,05 = 0,05 mol. 2. Vì KP = 0,2 nên khi P = 0,2 atm thì cân bằng trên được duy trì. Nếu P < 0,2 atm hay P > 0,2 atm thì cân bằng trên bị phá vỡ. Khi tăng dần V: chừng nào cân bằng trên còn tồn tại thì P = const = 0,2 atm. Tiếp tục tăng V đến một lúc nào đó P < 0,2 atm thì cân bằng bị phá vỡ. Tại giới hạn của sự phá vỡ cân bằng, ta có: n(CO2) = n(CaCO3) = 0,1 mol ⇒ V = 2. = 0,1.0,082.(273:820) = 44,8 L 0,2 Khi V ≥ 44,8 L thì cân bằng trên bị phá vỡ, sự phân hủy CaCO3 là hoàn toàn. Lúc này P liên hệ với V theo phương trình P = 0,1.0,082.(273:820 = 8,96 (atm). Tóm lại: + Khi 22, 4 ≤ V ≤ 44,8 L thì P = const = 0,2 atm. + Khi V > 44,8 L thì P = 8,96/V (atm). 3. Khi 2 cân bằng cùng tồn tại ta có: KP1 = PCO2 = 0,2 atm. Mặt khác, áp suất chung của hệ, P = PCO2 + PCO ⇒ PCO = 1,6 – 0,2 = 1,4 atm. Do đó, KP2 = 2 = 1,42 /0,2 = 9,8. 2 Xét 2 cân bằng đồng thời: t0 x x–y a (mol) tcb a – x ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 35
t0 0,2 (mol) tcb 0,2 – y x – y 2y ⇒ n(CaCO3) = a – x = a – (x – y) – y = a – n(CO2) – 1/2.n(CO). Mặt khác ta có: n(CO2) = 2. = 0,2.22,4 = 0,05 mol 0,082.(273:820) n(CO) = . = 1,4.22,4 = 0,35 mol 0,082.(273:820) Để 2 cân bằng cùng tồn tại thì phải có n(CaCO3) > 0, tức là n(CaCO3) = a – n(CO2) – 1/2.n(CO)>0, hay a > 0,05 + ½.0,35 = 0,675 mol. Vậy 2 cân bằng trên cùng tồn tại khi lượng CaCO3 đưa vào lớn hơn 0,675 mol. Câu 27. Cho biết N2O4 tồn tại dưới dạng cân bằng với NO2 theo phương trình: N2O4 (k) ⇌ 2NO2 (k). 1,0 mol N2O4 được đưa vào bình rỗng với thể tích cố định 24,44 lit. Áp suất khí tại cân bằng ở 298K là 1,190 bar. Giá trị entropi chuẩn (S0) của N2O4 (k) = 304,10 J.mol-1.K-1 và NO2 = 240,05 J.mol-1.K-1. Coi ∆S0, ∆H0 không phụ thuộc nhiệt độ. 1. Tính hằng số cân bằng Kp, Kc tại 298K 2. Tính áp suất bình phản ứng tại 348K (Đề xuất THPT Chuyên Thái Nguyên – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1 N2O4 ⇌ 2 NO2 Ban đầu: 1 0 [] 1 - x 2x ntổng, cb = 1 - x + 2x = 1 + x (mol) ntong , cb PV (1,190 /1,013).24, 44 1,175 (mol) RT 0, 082.298 Với P= 1,190 bar = (1,190/1,013 ) atm Lại có 1,175 = 1 + x x = 0,175 (mol) Tại cân bằng PN2O4 1 x Ptong 1 0,175 .1,190 bar 0,836 bar 1 x 1 0,175 PNO2 2x .Ptong 2.0,175 .1,190 bar 0,354 bar 1 x 1 0,175 K p,298 (PNO2 )2 (0, 354)2 0,1499 PN2O4 0, 836 KC = Kp.(RT)-∆n = 0,1499.(0,082.298)-1 =6,13.10-3 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 36
2. Tại 298 K, = ∆H0 – 298∆S0 G0 RT ln K298 8,314.298.ln(0,1499) 4702 (J mol1) 4, 70 (kJ mol-1) Mà ∆S0 = 0,176 kJ·mol–1·K–1 => ∆H0 = 57,148 (kJ·mol–1) ln K348 H 0 1 1 57148 1 1 K298 R 298 348 8,314 298 348 ln K348 ln K298 57148 . 1 1 ln 0,1499 57148 . 1 1 1, 4163 8, 314 298 348 8, 314 298 348 → Kp,348 = 4,122 (bar) Tại 348K, áp suất ban đầu của N2O4: P0 nRT 1.0, 082.348 1,168atm 1,183bar N2O4 V 24, 44 N2O4 ⇌ 2 NO2 P0 1,183 [] 1,183 - y 2y K P ,348 (2 y)2 y 4,122 y = 0,703 1,183 Áp suất cân bằng ở 348K là 1,183 + y = 1,886 bar Câu 28. Một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp hiđro ở quy mô công nghiệp là sử dụng phản ứng: CH4 (k) + H2O (k) 3 H2 (k) + CO (k) a. Hằng số cân bằng của phản ứng trên ở 298 K là KP, 298K=1,45×10-25; ở 1580 K là KP, 1580K =2,66×104. Coi entropy và entapy không phụ thuộc vào nhiệt độ, tìm ΔHo và ΔSo của phản ứng. b. Nạp vào bình phản ứng 1 mol CH4 và 1 mol H2O rồi nâng nhiệt độ lên 1100 K. Khi cân bằng hình thành thì thấy áp suất trong bình phản ứng là 1,6 atm. Tính hiệu suất chuyển hóa của CH4. c. Nạp vào bình phản ứng có thể tích không đổi 1 mol CH4 và 1 mol H2O ở 400 K thì thấy áp suất ban đầu (khi chưa xuất hiện H2) là 1,6 atm. Sau đó nâng nhiệt độ của bình lên 1100 K. Tính áp suất của mỗi khí trong bình khi cân bằng hình thành. (Đề xuất THPT Chuyên Tây Ninh – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: a. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 37
ln K (T2 ) H 0 K (T1 ) R T11 T21 2,66 104 H 0 1,45 1025 8,314 ln 2981 1580 1 H 0 205,75 kJ 206 kJ RT ln K H 0 T S 0 8,314 298 ln(1,45 1025 ) 205750 298 S 0 S 0 205750 141700 214,93 298 b. R G0 2057501100 214,93 30673 1100 R G0 30,7 kJ 1100 30673 K1100 e 8,3141100 28,6 K 1100 28,6 P CH4 (k) + H2O (k) 3 H2 (k) + CO (k) nban đầu 1 10 0 Δn -a -a +3ª +a Σn = 2(1+a) ncb 1-a 1-a 3a a a p Pcb 1a p 1a p 3a p 2(1 a ) 2(1 a) 2(1 a ) 2(1 a ) KP 23 ( 3a)3 a 2 (1 a) 2 (1 a) p2 (1 a)3 2 (1 a) (1 a) (1 a) KP 4 (1 27 a4 a) 2 p2 1 4KP 1 a 2 2 a ) 2(1 p 27 a K = 28,6; p = 1,6 atm → a = 0,7501→ Hiệu suất 75,01% c. p1T1 = p2T2 pG = (1100/400).1,6 p = 4,40 atm p(CH4) = p(H2O) = ½p = 2,20 atm pban đầu CH4 (k) + H2O (k) 3 H2 (k) + CO (k) Δp 2.2 2.2 0 0 -b -b +3b +b pcb 2,2-b 2,2-b 3b b p = 4.4+2b KP 27b4 (2,2 b)2 28,6 27b2 2,2 b b = 1,08 atm ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 38
p = 6,56 atm p(CH4) = p(H2O) = 1,12 atm p(CO) = 1,08 atm p(H2) = 3,23 atm Câu 29. Trong một bình kín dung tích không đổi có chứa 0,1 mol Fe3O4 và 0,4 mol H2. Nung nóng bình đến 1000K. Biết các phản ứng xảy ra trong bình như sau: Fe3O4(r) + H2(k) 3FeO(r) + H2O(k) (1) Kp (1) = 1,862 FeO(r) + H2(k) Fe(r) + H2O(k) (2) Kp (2) = 0,615 Xác định thành phần của hệ tại thời điểm cân bằng. (Đề xuất THPT Chuyên Lê Khiết Quảng Ngãi – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: Nhận xét: cả Kp (1) và Kp (2) đều có cùng biểu thức hằng số cân bằng nên đây là các cân bằng nối tiếp. Vì Kp (1) > Kp (2) cân bằng (1) xảy ra trước cân bằng (2). Khi phản ứng (1) xảy ra: Fe3O4(r) + H2(k) 3FeO(r) + H2O(k) Kp (1) = 1,862 Ban đầu: 0,1 mol 0,4 mol Cân bằng: 0,1 - x 0,4 - x 3x x Kp (1) = pH2O = x = 1,862 x = 0,26 > 0,1 PH2 0,4 - x Vậy (1) xảy ra hoàn toàn. Sau phản ứng (1) thành phần hệ gồm: H2 : 0,3 mol H2O: 0,1 mol FeO: 0,3 mol. Khi phản ứng (2) xảy ra: FeO(r) + H2(k) Fe(r) + H2O(k) (2) Kp (2) = 0,615 Ban đầu: 0,3 mol 0,3 mol 0,1 mol Cân bằng: 0,3 - y 0,3 - y y 0,1 + y Kp (2) = pH2O = 0,1 + y = 0,615 y = 0,052 mol < 0,3 mol PH2 0,3 - y Vậy cân bằng được thiết lập là cân bằng (2). Tại thời điểm cân bằng: H2 : 0,248 mol H2O: 0,152 mol FeO: 0,248 mol. Fe: : 0,052 mol. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 39
Câu 30. Cho vào bình cầu chân không (dung tích 1,5 lít) 0,00343 mol XCl3 (khí). Nung nóng bình cầu đến 100oC, trong bình thiết lập cân bằng sau : 2XCl3 (khí) 2X (khí) + 3Cl2 (khí). Tại cân bằng, áp suất khí trong bình là 0,800 atm. a. Tính áp suất của XCl3 (khí) trong bình cầu tại 100oC, nếu giả định không có phản ứng xảy ra. b. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí khi hệ đạt cân bằng. c. Tính Kp, ∆Go (kJ/ mol) của hệ tại 100oC. d. Tính KC tại 100oC. e. Viết biểu thức tính nồng độ XCl3 tại cân bằng khi cho vào bình cầu (dung tích 2,0 lít) 0,0500 mol XCl3. (Không cần giải biểu thức này). (Đề xuất THPT Chuyên Lê Quý Đôn Bình Định – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: a. PV = nRT → P= (0,0343mol ).(0,082lit.atm / mol.K).373K = 0,700 atm 1, 50 lit b. P1 = PXCl3 + PX + PCl2 → 0,800 = 0,70 - x + x + 1,5x → x = 0,067 → PXCl3 = 0,633 atm ; PX = 0,067 atm ; PCl2 = 0,099 atm. c. KP PX2.PC3l2 1,09.10–5 P2 XCl3 → ∆Go = – RTln(Kp) = 35552 J/mol = 35,55 kJ/mol d. KP = KC.(RT)∆n ↔ 1,09.10–5 = KC.(0,082.373)3 → KC = 3,80.10–10 e. 2XCl3 (khí) 2X (khí) + 3Cl2 (khí) Co 0,05/2 00 Ccb 0,025 - x x 1,5x → (3,80.10–10) = x2.(1,5x)3 (0, 025 x)2 Câu 31. 1.Đun nóng một mẫu FeSO4 trong bình chân không đến 920oC, xảy ra các phản ứng sau: 2FeSO4 (r) Fe2O3 (r) + SO3 (k) + SO2 (k)(1) SO3 (k) SO2 (k) + 1/2O2 (k) (2) Tại cân bằng, áp suất chung của hệ là 0,836 atm và áp suất riêng phần của khí O2 là 0,0275 atm. Tính KP cho mỗi phản ứng trên. 2. Thêm một mẫu khí N2O4 vào một xilanh tại 25oC. Khi phản ứng đạt đến cân bằng, có 16% (theo số mol) N2O4 đã phân ly thành NO2, và áp suất chung của hệ là 1,5atm. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 40
(a) Tính KP ở 25oC cho phản ứng phân ly này. (b) Tính áp suất riêng phần của N2O4 và NO2 thu được tại cân bằng khi giãn nở xilanh trên đến khi áp suất chung bằng 1atm và giữ nguyên nhiệt độ. Tính phần trăm (số mol) N2O4 đã phân ly thành NO2 để đạt cân bằng mới này. (Đề xuất THPT Chuyên Lê Quý Đôn Đã Nẵng – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. Xét phản ứng thứ hai, với áp suất riêng phần ban đầu của SO3 và SO2 tương ứng với lượng sinh ra ở phản ứng thứ nhất. SO3 (k) SO2 (k) + 1/2O2 (k) P0 P0 0 0,02752 0,02752 0,0275 P0 - 0,055 P0 + 0,055 0,0275 Từ P = (P0 – 0,055) + (P0 + 0,055) + 0,0275 = 0,836 P0 = 0,40425 (atm) PSO3 0, 40425 0, 0275 2 0,35 và PSO2 0, 40425 0, 0275 2 0, 46 Phản ứng (1): KP = PSO3 PSO2 0,35 0, 46 0,161 Phản ứng (2): KP PSO2 PO1/22 0, 46 (0, 0275)1/2 0, 218 PSO3 0, 035 2. (a) Xét cân bằng N2O4 (k) 2NO2 (k) P0 0 0,16P0 0,32P0 0,84P0 0,32P0 Từ 0,84P0 + 0,32P0 = 1,5 P0 = 1,3 ( PN2O4 0,841,3 1,1; PNO2 0,321,3 0, 42 KP PN2 O2 (0, 42)2 0,16 PN2O4 1,1 (b) Gọi áp suất riêng phần N2O4 và NO2 ở cân bằng mới lần lượt là x và y, xy 1 Từ y2 0,16 x 0, 67; y 0,33 x PN2O4 (phản ứng) = PNO2 = 0,165; PN2O4 (ban đầu) = 0,67 + 0,165 = 0,835 2 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 41
H 0,165 100% 20% 0, 835 Câu 32. 1. Ngày nay, để sản xuất clo từ hiđro clorua, người ta sử dụng cân bằng: O2 (k) + 4 HCl (k) 2 Cl2 (k) + 2 H2O (k) a) Cho vào bình phản ứng 2,2 mol oxi và 2,5 mol hiđro clorua ở áp suất cố định là 0,5 atm và nhiệt độ T. Khi hệ đạt cân bằng thì bình phản ứng chứa lượng oxi gấp đôi hiđro clorua. Tìm giá trị T (oC). b) Ở 520oC, nạp vào bình phản ứng một lượng hỗn hợp khí oxi và hiđro clorua. Ở trạng thái cân bằng thì hiệu suất chuyển hóa của hiđro clorua bằng 80%. Tìm áp suất riêng phần của oxi tại trạng thái cân bằng. Cho: Bảng số liệu nhiệt động (giả sử không phụ thuộc vào nhiệt độ) Chất O2 (k) HCl (k) Cl2 (k) H2O (k) ΔHos (kJ/mol) -92,3 -241,8 So (J/mol.K) 205 186,8 223 188,7 2. Ở 270C, 1atm N2O4 phân hu theo phản ứng : N2O4 (khí) 2NO2 (khí) với độ phân hu là 20% a) Tính hằng số cân bằng Kp. b) Độ phân hu một mẫu N2O4 (khí) có khối lượng 69 gam, chứa trong một bình có thể tích 20 (lít) ở 270C (Đề xuất THPT Chuyên Lê Thánh Tông Quảng Nam – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. a) O2 (k) + 4 HCl (k) 2Cl2 (k) + 2H2O (k) Ban đầu (mol) 2,2 2,5 Cân bằng (mol) 2,2-x 2,5-4x 2x 2x Theo đề: 2,2 - x = 2(2,5 – 4x) x = 0,4 mol ( )2( )2( , ) , ( , )( , )4 ΔHo = -114,4 kJ/mol và ΔSo = -128,8 J/mol.K ΔGo = -RTlnK = ΔHo - TΔSo → -9,078T = -114400 + 128,8T → T = 829,7 K = 556,7oC b) Ở 520oC thì lnK = -ΔHo/RT + ΔSo/R = 1,86 → K = 6,42 Ban đầu (mol) O2 (k) + 4HCl (k) 2Cl2 (k) + 2H2O (k) ab Cân bằng (mol) a-0,2b 0,2b 0,4b 0,4b ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 42
Dễ thấy: PCl2/PHCl = 2 và PCl2 = PH2O Mặt khác: 22 , . Từ đó: PO2 = 2,49 atm 22 2 2. Gọi độ phân hu của N2O4 ở 270C, 1 atm là , số mol của N2O4 ban đầu là n Phản ứng: N2O4 (k) 2NO2 (k) Ban đầu: n 0 Phân ly: n 2n Cân bằng n(1- ) 2n Tổng số mol hỗn hợp lúc cân bằng: n‟ = n(1+ ) Nên áp suất riêng phần của các khí trong hỗn hợp lúc cân bằng: PN 2 O 4 = ((1- )/(1+ ))P; PNO 2 = ((2 )/(1+ ))P a) KP = P2 NO 2 / PN 2 O 4 = [((2 )/(1+ ))P]2/((1- )/(1+ ))P = [4 2/(1- 2)]P với P = 1atm, = 20% hay = 0,2 KP = 1/6 atm b) n N2O4 = 69/92 = 0,75 Gọi độ phân hu của N2O4 trong điều kiện mới là ‟ Phản ứng: N2O4 (k 2NO2 (k) Ban đầu: 0,75 0 Phân ly: 0,75 ‟ 1,5 ‟ Cân bằng 0,75(1- ‟) 1,5 ‟ Tổng số mol hỗn hợp lúc cân bằng: n” = 0,75(1+ ‟) Áp suất hỗn hợp khí lúc cân bằng: P‟ = (n”.R.T)/V = (0,75 (1+ ‟).0,082.300)/20 = 0,9225(1+ ‟) Vì KP = const nên: KP = (4 2/1- 2)P‟=1/6 Nên: (4 ‟2/1- ‟2).0,9225(1+ ‟) = 1/6 ‟ 0,19 Câu 33. Giảm thiểu tối đa sự phát thải khí độc CO là một trong những vấn đề cấp thiết của nhiều cơ sở công nghiệp, đặc biệt là với các lò thiêu hủy chất thải rắn. Một trong các giải pháp được đề xuất là chuyển hóa CO bằng hơi nước theo phản ứng: H2O(h) + CO(k) ⇌ H2(k) + CO2(k) (*) Cho 0,2 mol H2O và 0,1 mol CO vào bình chân không ở 450oC. Khi phản ứng (*) đạt đến cân bằng hỗn hợp phản ứng chứa 0,09 mol CO2. a.Tính hằng số cân bằng của phản ứng (*) ở 450oC. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 43
b.Phản ứng (*) cần được tiến hành ở nhiệt độ bao nhiêu để 99% lượng CO ban đầu bị chuyển hóa thành CO2 ( giả thiết ∆H không đổi trong khoảng nhiệt độ khảo sát). Cho biết: Biến thiên entanpy tạo thành (kJ.mol-1) của các chất ở 25oC và 1 atm: CO(k): -110,5; CO2(k): -393,51; H2O(h): -241,84 (Đề xuất THPT Chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm Quảng Nam – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: a.Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng ở 450oC (723K) H2O(h) + CO(k) ⇌ H2(k) + CO2(k) Ban đầu (số mol): 0,2 0,1 0 0 Cân bằng (số mol): 0,11 0,01 0,09 0,09 Áp suất riêng phần của từng khí Pi = niRT/V. Vì thế: b. 99% CO chuyển hóa tương ứng với số mol CO phản ứng là: nCO = 0,1.99% = 0,099 mol. H2O(h) + CO(k) ⇌ H2(k) + CO2(k) Ban đầu (số mol): 0,2 0,1 0 0 Cân bằng (số mol): 0,101 0,001 0,099 0,099 Để đạt được lượng chuyển hóa này, hằng số cân bằng là: Từ công thức: Entanpy của phản ứng: ∆Hopứ = ∆HoCO2 + ∆HoH2 - ∆HoH2O - ∆HoCO = -41,17 kJ = -41170J Thay số vào công thức trên ta được: Câu 34. Khí NO kết hợp với hơi Br2 tạo ra một khí duy nhất trong phân tử có 3 nguyên tử. 1. Viết phương trình phản ứng xảy ra. 2. Biết phản ứng trên thu nhiệt, tại 25oC có Kp = 116,6. Hãy tính Kp (ghi rõ đơn vị) tại 0oC ; 50oC. Giả thiết rằng tỉ số giữa hai trị số hằng số cân bằng tại 0oC với 25oC hay 25oC với 50oC đều bằng 1,54. 3. Xét tại 25oC, cân bằng hoá học đã được thiết lập. Cân bằng đó sẽ chuyển dịch như thế nào? Nếu: ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 44
a) Tăng lượng khí NO. b) Giảm lượng hơi Br2. c) Giảm nhiệt độ. d) Thêm khí N2 vào hệ mà: - Thể tích bình phản ứng không đổi (V = const) - áp suất chung của hệ không đổi (P = const). (Đề xuất THPT Vùng Cao Việt Bắc – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. 2 NO(k) + Br2 (hơi) 2 NOBr (k) ; H > 0 (1) Phản ứng pha khí, có n = -1 đơn vị Kp là atm-1 (2) 2. Do phản ứng thu nhiệt nên có liên hệ Kp tại O2 < Kp tại 252 < Kp tại 502 (3) Vậy : Kp tại 250 = 1 / 1,54 x Kp tại 252 = 116,6 / 1,54 = 75,71 (atm-1) Kp tại 252 = 1,54 x Kp tại 252 = 116,6 x 1,54 179, 56 (atm-1) 3. Xét sự chuyển dời cân bằng hoá học tại 25OC. Trường hợp a và b: về nguyên tắc cần xét tỉ số: PNOBr Q = ------------ (4) (Khi thêm NO hay Br2) (PNO)2 Sau đó so sánh trị số Kp với Q để kết luận. Tuy nhiên, ở đây không có điều kiện để xét (4); do đó xét theo nguyên lý Lơsatơlie. a. Nếu tăng lượng NO, CBHH chuyển dời sang phải. b. Nếu giảm lượng Br2, CBHH chuyển dời sang trái. c. Theo nguyên lý Lơsatơlie, sự giảm nhiệt độ làm cho CBHH chuyển dời sang trái, để chống lại sự giảm nhiệt độ. d. Thêm N2 là khí trơ. + Nếu V = const: không ảnh hưởng tới CBHH vì N2 không gây ảnh hưởng nào liên hệ (theo định nghĩa áp suất riêng phần). + Nếu P = const ta xét liên hệ. Nếu chưa có N2: P = pNO + pBr2 + pNOBr (a) (b) Nếu có thêm N2: P = p‟NO + p‟Br2 + p‟NOBr + Pn2 Vì P = const nên p‟i < pi Lúc đó ta xét Q theo (4) liên hệ / tương quan với Kp: 1. Nếu Q = Kp: không ảnh hưởng 2. Nếu Q > Kp : CBHH chuyển dời sang trái, để Q giảm tới trị số Kp. 45 ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33
3. Nếu Q <Kp: CBHH chuyển dời sang phải, để Q tăng tới trị số Kp. Xảy ra trường hợp nào trong 3 trường hợp trên là tuỳ thuộc vào pi tại cân bằng hoá học. Câu 35. 1. Xét phản ứng sau (trong bình kín dung tích không đổi): N2 (k) + O2 (k) 2NO (k) (*) a) Tính các giá trị nhiệt động học ∆H 0 , ∆G 0 và ∆S 0 của phản ứng này nếu biết rằng 298 298 298 entanpi và năng lượng tự do của sự tạo thành NO lần lượt là ∆H 0 = 91,25 kJ/mol và là ∆G f , 298 0 = 87,58 kJ/mol và giải thích tại sao phản ứng (*) không thể xảy ra ở điều kiện chuẩn (P f , 298 = 1 bar, T = 298 K). b) Xác định nhiệt độ phản ứng mà ở đó NO chiếm 0,1% về thể tích không khí. Cho rằng, ở nhiệt độ đó không khí có chứa 78% N2, 21% O2, còn lại là NO, NO2, CO2, H2 và hơi H2O. Giá trị hằng số khí R = 8,314 J/mol.K. Biết rằng H và S không phụ thuộc vào nhiệt độ. c) NO hoạt động hóa học rất mạnh, nó dễ phản ứng với nhiều chất như oxi, halogen… Cho rằng, trong pha khí NO tác dụng với brom theo phản ứng: 2NO + Br2 2NOBr (*) Cơ chế phản ứng trên như sau: NO + Br2 k1 NOBr2 giai đoạn nhanh k 1 NOBr2 + NO k2 2NOBr giai đoạn chậm Hãy thiết lập biểu thức tốc độ và xác định bậc của phản ứng (*). 2. Cho phản ứng sau: CO (k) + H2O (k) CO2 (k) + H2 (k) (*) Dùng các dữ kiện nhiệt động dưới đây, tính G0 cho phản ứng (*) ở 298 K và từ đó tính giá trị hằng số cân bằng Kp. Chất H 0 298 (kJ.mol-1) S0 (J.mol-1.K-1) f, 298 CO2 (k) -393,1 213,6 H2O (k) - 241,8 188,7 H2 (k) 130,6 CO (k) - 197,6 -110,5 (Đề xuất THPT Chuyên Đại học Vinh – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1 a) N2 (k) + O2 (k) 2NO (k) (*) ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 46
∆H 0 = 2Hf0, 298 ( NO) = 182,5 kJ 298 G0298 2G 0 298( NO) = 175,16 kJ. f, S0298 1 (H 0 G 0 ) 182,5 175,16 = 24,63 J. T 298 298 298 Vì G 0 > 0 nên phản ứng (*) không xảy ra ở điều kiện chuẩn. 298 b) Ta có: Kp = PN2O = C2NO (103)2 6,1.106 PN2 . PO2 CN2 .CO2 0, 78.0, 21 G 0 RT ln Kp 8,314T ln(6,1.106) = 99,83T T 99,83T = 182500 - 24,63T T = 1466,33K c) Giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn chậm nên: v= d[NOBr] k2[NOBr2 ][NO] dt KC k1 [NOBr2 ] [NOBr2 ] = KC[NO][Br2 ] k 1 [NO][Br2 ] v = KCk2[NO]2[Br2 ] k1k 2 [NO]2[Br2 ] = k[NO]2[Br2 ] với k = KCk2 k1k 2 k 1 k 1 Phản ứng có bậc 3. 2. Ta có: H0298 Hf0 (saûn phaåm) Hf0 (chaát ñaàu) = - 393,1- [-110,5 + (-241,8)] = - 40,8 kJ.mol-1 S0298 S0 (saûn phaåm) S0298 (chaát ñaàu) = (213,6 + 130,6) - (188,7 + 197,6) 298 = -42,1 J.mol-1.K-1 G0298 H0298 TS0298 40800 298.( 42,1) 28254, 2 J.mol1 28, 2542 kJ.mol1 G0 53345,8 K =p e RT e8,314.298 104,95 Câu 36. Nitơ đioxit là một trong số các oxit của nitơ được tìm thấy ở trong khí quyển. Nó có thể đime hóa cho N2O4 (k) : 2NO2(k) N2O4(k) 1. Tại 298K, ∆G° tạo thành của N2O4(k) là 98,28 kJ, còn của NO2(k) là 51,84 kJ. Bắt đầu với 1,0 mol N2O4 (k) tại 1,0 atm và 298K, tính % N2O4 bị phân hủy nếu áp suất tổng không đổi tại 1,0 atm và nhiệt độ được giữ nguyên 298K. 2. Nếu ∆H° của phản ứng N2O4(k) 2NO2(k) là 58,03 kJ, tại nhiệt độ nào % N2O4 phân hủy sẽ gấp đôi ở phần 1. (Đề xuất THPT Chuyên Hạ Long Quảng Ninh – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. 2NO2 (k) N2O4 (k) ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 47
Ta có : N2 (k) 2O2 (k) N2O4 (k) G 98, 28kJ N2 (k) 2 O2 (k) 2NO2 (k) G 2.51,84 103, 68kJ suy ra : N2O4(k) 2NO2(k) G 5, 4kJ 5,4.103 Ta có : G RT ln K298 K298 e 8,314.298 0,113 Gọi x số mol N2O4 phân hủy. Ta có : N2O4 (k) 2NO2 (k ) Ban đầu : 1 0 Cân bằng 1 – x 2x Ở trạng thái cân bằng, tổng số mol khí 1 – x + 2x = 1 + x (mol) PN2O4 1 x .PT 1 x (atm) ; PNO2 2x .PT 2x (atm) 1 x 1 x 1 x 1 x ( PNO2 )2 ( 2x )2 4x2 Vậy : P0 1 x 1 x2 K 298 (1 x ) 0,113 ( PN2O4 ) P0 1 x Giải ra ta có x = 0,166. Vậy % N2O4 phân hủy là : 16,6% 2. Khi độ phân hủy N2O4 gấp đôi = 2. 0,166 = 0,332 mol ; cân bằng có : N2O4 : 1 – 0,332 = 0,668 mol ; và NO2: 2.0,332 = 0,664 mol; tổng số mol khí = 0,668+0,664=1,332 mol KT2 (0, 664)2 0, 6642 0, 496 1, 332 1,332.0, 668 0, 668 1, 332 Áp dụng: ln( K2 ) H ( 1 1 ) K1 R T2 T1 ln(0, 496) 58, 03 (1 1) T2 318, 09K 0,113 8, 314 T2 298 Câu 37. Thực hiện phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 1. Ban đầu cho vào bình phản ứng NOCl, thực hiện phản ứng ở 3000C. Khi hệ đạt trạng thái cân bằng thấy áp suất trong bình là 1,5 atm. Hiệu suất của phản ứng là 30%. Tính hằng số cân bằng của phản ứng. 2. Ở nhiệt độ 3000C, phản ứng có thể tự xảy ra được không? Vì sao? 3. Thực hiện phản ứng và duy trì áp suất của hệ phản ứng ở điều kiện đẳng áp: 5 atm. Tính phần trăm số mol của các khí ở trạng thái cân bằng? 4. Một cách cẩn thận, cho 2,00 gam NOCl vào bình chân không có thể tích 2,00 lít. Tính áp suất trong bình lúc cân bằng ở 3000C. ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 48
(Đề xuất THPT Chuyên Bắc Giang – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: 1. Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) x x-2a 2a a suy ra tổng áp suất của hệ: x + a = 1,5 và H = 2a/x = 0,3. Ta có : a = 0,196 và x = 1,304 KP = 0,036 2. Ta có K < 1 suy ra lnK < 1 nên ∆G0 > 0. Vậy phản ứng không tự xảy ra. 3. Ta có KP = 0,036 suy ra KC = 7,661.10-4. ( vì KP = KC.(RT)∆n) Cbđ = P/RT = 5/0,082.573= 0,106 Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 0,106 0,106 - 2a 2a a Suy ra a.(2a)2 KC 7, 661.104 Vậy a = 0,011. (0,106 2a)2 Phần trăm NOCl: 71,8%; Cl2: 9,4%; NO: 18,8%. 4. Phản ứng: 2NOCl(k) 2NO(k) + Cl2(k) 0,717 0,717 - 2a 2a a Suy ra a.(2a)2 KP 0, 036 Vậy a = 0,125. (0, 717 2a)2 Áp suất trong bình khi hệ đạt trạng thái cân bằng là 0,842 atm. Câu 38. Cho bảng dữ kiện nhiệt động của phản ứng: SO2 (k) + 12O2 (k) SO3 (k) (1) Nhiệtđộ (oC) 530 550 ΔphảnứngGo (kJ/mol) –16,03 –15,31 a. Ước lượng hằng số cân bằng Kp1 của phản ứng (1) ở 650oC. Cho 15,19 g sắt (II) sunfat được đun nóng trong bình chân không 1,00 L tới 650oC thì xảy ra các phản ứng sau: 2FeSO4 (r) Fe2O3 (r) + SO3 (k) + SO2 (k) (2) 2SO3(k) 2SO2(k) + O2(k) (3) Khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng, áp suất riêng phần của oxy là 21,28 mmHg. b. Tính áp suất tổng ở trạng thái cân bằng và giá trị Kp2 của phản ứng (2). c. Tính phần trăm FeSO4 bị phân hủy? (Đề xuất THPT Chuyên Đại học sư phạm Hà Nội – Khối 10 – Năm học 2017-2018) Hướng dẫn giải: ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 49
a. SO2 (k) + 12O2 (k) SO3 (k) (1) ΔH = -44938 J/mol ΔS = -36 J/molK ΔG ở 650oC = -11710 J/mol → lnKp1 = 1,526 → Kp1 = 4,6 b. 2SO3(k) 2SO2 (k) + O2 (k) (3) có Kp3 = (Kp1)-2 = 0,047 Phản ứng (2): 2 FeSO4 (s) Fe2O3 (s) + SO3 (g) + SO2 (g) Phân hủy: - -- Cân bằng: P-a P+a => Ptổng = 2P Phản ứng (3): 2 SO3(g) 2SO2 (g) + O2 (g) Áp suất ban đầu: P P0 Phản ứng: -a +a +a/2 Cân bằng: P-a P+a a/2 Ở cân bằng thì áp suất của O2 là 21,28/760 = 0,028 atm a/2 = 0,028 atm → a = 0,056 atm Kp3 = (P 0,056)2 0,028 0,047 (P 0,056)2 → (P 0, 056)2 1, 6786 (P 0, 056)2 → (P 0, 056) 1, 296 → P + 0,056 = 1,296P – 0,073 (P 0, 056) → 0,296P = 0,129 → P = 0,436 atm → P tổng = 2P = 0,872 atm 2 FeSO4 (s) Fe2O3 (s) + SO3 (g) + SO2 (g) Kp2 = PSO3PSO2 = (P-a)(P+a) = (0,436 – 0,056)(0,436 + 0,056) = 0,187 c. Số mol SO3 = SO2 do phân hủy FeSO4: PV = nRT → n = PV/PT = (0,436)1 /(0,082×923) = 5,76×10-3 mol Số mol FeSO4 = 2nSO3 = 0,01152 mol Khối lượng FeSO4 phân hủy = 0,01152 ×152 = 1,751 g Phần trăm khối lượng FeSO4 = 1,751/15,19 = 11,53 %. Câu 39. Đun nóng hỗn hợp khí gồm O2 và SO2 có chất xúc tác, xảy ra phản ứng: 1 O2 + SO2 SO3 (1) 2 1. Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng ở 80oC (chấp nhận hiệu ứng nhiệt của phản ứng không phụ thuộc nhiệt độ). Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào tới trạng thái cân bằng của phản ứng (1)? ThS. NGUYỄN VĂN LUYỆN – THPT CHUYÊN TN - CÂN BẰNG HÓA HỌC – HÓA K33 50
Search
