PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giai đoạn hiện nay, giáo dục đang đứng trước một thực trạng nan giải, đó là thời gian học có hạn trong khi lượng kiến thức nhân loại phát triển lại rất nhanh. Vì vậy, vấn đề quan trọng mang tính thời sự và rất được quan tâm là: Làm thế nào để học sinh có thể tiếp nhận được nhiều tri thức trong khi quỹ thời gian dành cho dạy và học không thay đổi. Để giải quyết vấn đề này thì ngành giáo dục phải có những thay đổi sâu sắc cả về mục đích, nội dung cũng như phương pháp dạy học, làm sao để các em hiểu thực sự bản chất, tầm quan trọng của các môn học nói chung và môn Hóa học nói riêng. Định hướng này đã được thể chế hóa trong tại Điều 24.2 Luật Giáo dục: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động sáng tạo của học sinh, phù hợp với đặc điểm tứng lớp học, môn học, bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho học sinh”. Nghị quyết kì họp thứ 8, Quốc hội khóa X về đổi mới chương trình giáo dục phổ thông đã nêu: "Mục tiêu của việc đổi mới chương trình giáo dục phổ thông là xây dựng nội dung chương trình, phương pháp giáo dục, sách giáo khoa phổ thông mới nhằm nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện thế hệ trẻ, đáp ứng yêu cầu phát triển nguồn nhân lực phục vụ công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước". Trong chương trình Hóa học phổ thông, khi giảng dạy phần cân bằng hoá học cho học sinh, đặc biệt là các em trong đội tuyển thi học sinh giỏi thì đây luôn là vấn đề trừu tượng và rất khó hiểu với các em. Đối với các trường hợp cân bằng khác nhau thì hằng số cân bằng có tên gọi không giống nhau. Tôi đã hệ thống các dạng cân bằng hoá học để giúp học sinh hiểu rõ hơn, trên cơ sở đó có thể phân loại các dạng bài tập khác nhau. Chọn đề tài " Phân loại các biểu thức tính hằng số cân bằng hóa học và ứng dụng để giải bài tập " làm sáng kiến kinh nghiệm của mình, tôi hi vọng đề tài sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích đối với các em học sinh và các đồng nghiệp. 1 PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN Ngành giáo dục đang thực hiện mục tiêu đào tạo con người có đủ khả năng, đáp ứng những nhu cầu đòi hỏi của sự nghiệp công nghiệp hoá – hiện đại hoá đất nước, góp phần quan trọng vào việc phát triển kinh tế, xã hội. Giáo dục Việt Nam đã và đang đào tạo những con người có phẩm chất đạo đức tốt và năng lực tư duy cao, chủ động trong hội nhập. Để làm được điều đó, người học phải chủ động nắm bắt kiến thức cơ bản, tự tìm hiểu và phát hiện những kiến thức liên quan. Tuy nhiên, vai trò của thầy cô giáo trong việc giúp các em hệ thống hoá kiến thức, rèn luyện kỹ năng, tư duy tổng hợp là rất quan trọng. Với độ tuổi ngồi trên ghế nhà trường thì việc các em tự phân loại rồi hệ thống bài tập, tìm phương pháp giải cho từng dạng bài tập là việc làm gặp nhiều khó khăn, việc này cần có sự định hướng của thầy, cô cho các em. Xu hướng hiện nay trong dạy học Hóa học nói riêng và trong các lĩnh vực khoa học nói chung, người thầy luôn cố gắng trình bày cho học sinh thấy được mối quan hệ hữu cơ giữa các lĩnh vực khoa học như: Sinh học, Hóa học, Toán học, Vật lí… Trong đó cân bằng hóa học thuộc lĩnh vực nghiên cứu rất rộng của ngành Hóa học và các ngành khoa học khác. Đối với bộ môn Hóa học, giáo viên phải sáng tạo trong phương pháp giảng dạy để phát huy tích cực chủ động của học sinh, tháo gỡ những khó khăn đặc biệt là trong các chuyên đề khó như chuyên đề hằng số cân bằng hoá học. Điều này sẽ góp phần động viên cổ vũ tinh thần tự lực, tự giác của học sinh, tạo hứng thú cho các em trong học tập, nghiên cứu, tìm tòi phát hiện và giải quyết vấn đề đã đặt ra. Từ đó giúp các em tự tin hơn và học tập tốt hơn. Khi giảng dạy hoá học ở bậc THPT cũng như ôn luyện cho học sinh ở các kì thi học sinh giỏi tỉnh, tôi nhận thấy có nhiều vấn đề chỉ yêu cầu học sinh nắm một cách định tính tương đối, đặc biệt các bài tập liên quan đến hằng số cân bằng hóa học. Do vậy, việc xây dựng cụ thể cho các em các dạng bài tập cân bằng trong hóa học như cân bằng kết tủa, cân bằng axit, bazơ và làm rõ các loại cân bằng trên là vấn đề hết sức cần thiết. 2 2.2. THỰC TRẠNG Thực trạng chung: Trong quá trình giảng dạy bộ môn hoá học ở trường phổ thông, tôi nhận thấy rằng chuyên đề Hằng số cân bằng hoá học là một chuyên đề rất hay, xuất hiện ngày càng nhiều trong các đề thi như: Thi học sinh giỏi các cấp, thi tốt nghiệp THPT, thi tuyển sinh vào Đại học, Cao đẳng nhưng đại đa số học sinh lại không biết cách giải các bài tập thuộc phần này. Tài liệu viết về hằng số cân bằng hoá học thì có nhiều, tuy nhiên trong chương trình phổ thông lại không có hệ thống, cơ sở lý thuyết không thật cụ thể và rõ ràng, vì vậy nguồn tư liệu để giáo viên và học sinh nghiên cứu còn hạn chế. Điều này dẫn đến việc giải quyết các bài tập phần Hằng số cân bằng hoá học vẫn là một khó khăn lớn trong việc dạy và học Hoá học. Đối với học sinh : Các em được hỏi thường có suy nghĩ chung là “bài tập phần này rất khó, nếu đề ra dễ thì làm, nếu khó quá thì bỏ qua đỡ mất thời gian”. Nếu quả thực như vậy thì đây là một điều đáng buồn đối với môn Hoá học. Vì như vậy là các em đang né tránh những vấn đề khó. Đối với giáo viên: Nhiều giáo viên được hỏi cũng cùng có nhận định chung là chuyên đề Hằng số cân bằng hoá học là chuyên đề khó, giáo viên phải mất nhiều thời gian mới giải quyết được, trong quá trình làm dễ mắc sai sót dẫn đến kết quả sai. Vậy làm sao để tăng tỉ lệ học sinh giải quyết tốt các bài toán Hằng số cân bằng hoá học, qua đó giúp các em có hứng thú hơn trong học tập, say mê nghiên cứu tài liệu, biết vượt qua khó khăn ban đầu, không né tránh những vấn đề khó trong học tập cũng như trong cuộc sống. Qua tiếp xúc và tìm hiểu nhiều thế hệ học sinh, các em đều cho biết phần cân bằng hoá học luôn là vấn đề trừu tượng và khó hiểu. Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi mạnh dạn đề xuất đề tài "Phân loại các biểu thức tính hằng số cân bằng hóa học và ứng dụng để giải bài tập" làm sáng kiến kinh nghiệm. Tôi hy vọng đề tài sẽ đóng góp hữu ích vào việc nâng cao hiệu quả việc dạy và học Hóa học ở trường phổ thông hiện nay. 3 2.3 GIẢI PHÁP VÀ TỔ CHỨC THỰC HIỆN 2.3.1. Định luật tác dụng khối lượng “Ở nhiệt độ không đổi tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tích nồng độ (C M ) của các chất tham gia phản ứng với số mũ là hệ số tỷ lượng tương ứng”. - Đối với phản ứng: aA + bB  eE + fF thì biểu thức phản ánh nội dung của định luật tác dụng khối lượng là: V = K. [A] a . [B] b Trong đó: K gọi là hằng số tốc độ phản ứng và nó chính là tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất tham gia bằng đơn vị. - K càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh. - K phụ thuộc vào: bản chất phản ứng, nhiệt độ, dung môi, chất xúc tác. Ở một phản ứng xác định, nhiệt độ xác định thì K là một hằng số. 2.3.2. Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho một cân bằng hoá học Đối với cân bằng: V n aA + bB  eE + fF V t Vt là tốc độ phản ứng thuận. Vn là tốc độ phản ứng nghịch. Vt = Kt . [A] a . [B] b Vn = Kn . [E] e . [F] f Trong đó: Kt là hằng số tốc độ phản ứng thuận Kn là hằng số tộc độ phản ứng nghịch [i] là nồng độ của chất I tại thời điểm cân bằng - Khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng V t = V n nên ta có: Kt. [A] a . [B] b = Kn . [E] e . [F] t Kc BA FE K K ba te n t == ].[][ ].[][ Kc là hằng số cân bằng của phản ứng thuận. K’c = Kc 1 là hằng số cân bằng của phản ứng nghịch. - Như vậy Kc là hằng số cân bằng, đối với phản ứng đã cho Kc chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Kc càng lớn phản ứng xảy ra theo chiều thuận càng mạnh. - Nếu A, B, E, F là chất khí thì người ta dùng biểu thức Kp (nồng độ được thay bằng áp suất riêng phần). 4 Kp = b B a A f F e E PP PP . . (Pi = RTCiRT V Ni . = . Pi là áp suất riêng phần của chất i) Thay giá trị Pi vào biểu thức Kp ta có: Kp = ).( ].[][ ].[][ )] ([)].([ )] ([)].([ RT BA FE RTBRTA RTFRTE ba fe ba e = (e+f-a-b) Kp = Ke (RT) ∆ n ∆n = [e+f-(a+b)]; khi An = 0 -> Kp = Ke Lưu ý: Đối với hằng số cân bằng K đều gắn với phương trình phản ứng xác định. Ví dụ: SO 2(K)+ 2 1 O 2(K)  SO 3(K) Kp = 2/1 22 3 . OSO SO PP P Và 2SO 2(K) + O 2(K)  2SO 3(K) K’p = 2 2 2 2 3 . OSO SO PP P = K 2 p (Với K’p và Kp được xác định cùng nhiệt độ) 2.3.3. Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng trong dung dịch của chất điện li yếu. - Khi áp dụng định luật tác dụng khối lượng để xét cân bằng trong dung dịch người ta chấp nhận các quy ước sau: + Nồng độ bằng hoạt độ: (i) = [i]: (dung dịch phải loãng) + Trong dung dịch loãng hoạt độ của dung môi bằng đơn vị: [H 2 O] = 1 + Hoạt độ của chất rắn hay chất lỏng nguyên chất nằm cân bằng với dung dịch có giá trị bằng đơn vị. + Hoạt độ của các chất khí nằm cân bằng với dung dịch bằng áp suất riêng phần của mỗi khí: K c ≈ K a . 5 Hằng số cân bằng đối với quá trình điện li gọi là hằng số điện li. Khi các cân bằng điện li khác nhau thì hằng số cân bằng điện li có tên gọi khác nhau. 2.3.3.1. Cân bằng phân li của nước: Hằng số cân bằng phân li của nước có tên gọi là: Tích số ion của nước. 2H 2 O  H + 3 O + OH K = 2 2 3 ][ ]].[[ OH OHOH + vì H 2 O điện li rất yếu nên coi [H 2 O] không đổi và K. [H 2 O] 2 = [H + 3 O].[OH] = K w ở 25 0 C K = 2 2 3 ][ ]].[[ OH OHOH −+ = 3,24.10 -18 Vì H 2 O là chất điện li yếu nên coi [H 2 O] không đổi và ở 25 0 C: [H 2 O] = lit g molg 1.18 1000 / = 55,5 mol/lít K w = 3,24.10 -18 . (55,5) 2 ≈ 10 -14 - Tích số ion của H 2 O (Kw) phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ 0 C Kw 0 0,13 . 10 -14 25 1,00 . 10 -14 50 5,66 . 10 -14 100 74,00 . 10 -14 2.3.3.2. Cân bằng điện li của axit - Hằng số cân bằng điện li của axit trong dung dịch gọi là hằng số điện li axit, hay gọi là hằng số axit. - Xét sự tương tác giữa axit HA với dung môi B. HA + B BH + + A - + nếu dung dịch loãng: K HA = ]].[[ ]].[[ HAB ABH + + + K HA(B) phụ thuộc: = ]].[[ ]].[[ HAB ABH −+ - Bản chất HA - Dung môi B - Nhiệt độ - Nếu dung môi là H 2 O HA + H 2 O H 3 O + + A 6 + Nếu dung dịch loãng: K = ]].[[ ]].[[ 2 3 OHHA AOH + nếu [H 2 O] coi như không đổi thì K.[H 2 O] = ][ ]].[[ 3 HA AOH + = Ka Ka: Là hằng số điện li của axit HA trong nước, chỉ phụ thuộc nhiệt độ, Ka càng lớn, axit càng mạnh. Ka ≥ 10 -1 axit mạnh. 10 -5 < Ka < 10 -1 axit trung bình. Ka ≤ 10 -5 axit yếu + Để đơn giản: Phương trình điện li của axit HA trong nước có thể viết: HA  H + + A - 2.3.3.3. Cân bằng điện li của Bazơ: Hằng số cân bằng điện li của bazơ trong dung dịch gọi là hằng số điện li bazơ hay gọi là hằng số Bazơ (Kb). - Xét Bazơ B trong dung môi nước: B + H 2 O BH + + OH - + Dung dịch loãng: K = ]].[[ ]].[[ 2 OBB OHBH −+ ; [H 2 O] coi như không đổi K. [H 2 O] = ][ ]].[[ B OHBH + = Kb. Kb là hệ số điện li của bazơ B trong nước chỉ phụ thuộc nhiệt độ Kb càng lớn, bazơ càng mạnh. - Đối với 1 cặp axit - Bazơ liên hợp (dung môi là H 2 O). Ka. Kb = 10 -14 (ở 25 0 C) Ví dụ: CH 3 COOH + H 2 O  CH 3 COO + H 3 O + Axit CH 3 COOH có bazơ liên hợp là: CH 3 COO - ở 25 0 C CH 3 COOH có Ka = 1,8.10 -5 Cũng ở nhiệt độ đó CH 3 COO có Kb = 5 1414 10.8,1 1010 − −− = Ka = 0,555.10 -9 Như vậy: axit càng mạnh thì bazơ liên hợp càng yếu và ngược lại. 2.3.3.4. Cân bằng kết tủa: Hằng số cân bằng của chất điện li ít tan gọi là tích số hòa tan (T) A n B n nA m+ + B n- K = ][ ]].[[ mn nm BA BA −+ [A n B m ]: coi như không đổi. K. [A n B m ] = [A m+ ] . [B n- ] = T T gọi là tích số hoà tan của chất điện li ít tan. Ví dụ: Ca 3 (PO 4 ) 2  3Ca 2+ + 2PO 3- 4 TCa 3 (PO 4 ) 2  [Ca 2+ ] 3 . [PO 3- 4 ] 2 7 2.3.3.5. Cân bằng tạo phức: Hằng số cân bằng tạo phức tạo là hằng số bền. Ví dụ: Phức [CdCl 4 ] 2- mỗi nấc có 1 hằng số bền. Cd 2 + Cl  CdCl + K 1 = ]][[ ][ 2 −+ + ClCd CdCl CdCl + + Cl  CdCl 2 K 2 = ]][[ ][ 2 −+ ClCdCl CdCl CdCl 2 + Cl  CdCl 3 K 3 = ]][[ ][ 2 3 − ClCdCl CdCl CdCl 3 + Cl  CdCl 2- 4 K 4 = ]][[ ][ 3 2 4 −− − ClCdCl CdCl Cd 2+ + 4Cl -  CdCl 2- 4 K = K 1 . K 2 . K 3 . K 4 . 42 2 4 ]].[[ ][ −+ − ClCd CdCl K 1 , K 2 , K 3 , K 4 là hằng số bền nấc 1, 2, 3, 4 của phức CdCl 2- 4 K là hằng số bền của phức CdCl 2- 4 Hằng số bền càng lớn phức càng bền. 2.3.3.6. Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa khử - Giả sử có phản ứng: aOx 1 + b Kh 2  aKh 1 + bOx 2 Trong đó : aOx 1 + ne → aKh 1 bOx 2 + ne → b Kh 2 E 1 = E 0 1 + a a Kh Ox n ][ ][ lg 059,0 1 1 E 2 = E 0 2 + b b Kh Ox n ][ ][ lg 059,0 2 2 Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng ta có E 1 = E 2 nên : E 0 1 + a a Kh Ox n ][ ][ lg 059,0 1 1 = E 0 2 + b b Kh Ox n ][ ][ lg 059,0 2 2 → E 0 1 - E 0 2 = OxKh KhOx n ab ab ][][ ][][ lg 059,0 12 12 Vì K = OxKh KhOx ab ab ][][ ][][ lg 12 12 → lgK = 059,0 )( 0 2 0 1 EEn − = 059,0 0 nE - Hoặc ∆G 0 = -nE 0 F = - RTlnK → lnK = RT nFE 0 Ở 25 0 C thì: lgK = 059,0 0 nE 2.3.4. Một số dạng bài tập mẫu. Bài 1. Tính áp suất riêng phần khi biết áp suất chung của hệ Ở 1000 0 C hằng số cân bằng k p của phản ứng: 2SO 2 + O 2  2SO 3 k p = 3,5atm -1 Tính áp suất riêng phần lúc cân bằng của SO 2 và SO 3 nếu áp suất chung của hệ bằng 1atm và áp suất cân bằng của O 2 bằng 0,1 atm. 8 Bài giải Gọi x là áp suất riêng phần của SO 2 , thì áp suất riêng của SO 3 bằng: 1- P O 2 - x = 0,09 - x k p = 2 3 3 . 2 2 O SO SO Pp p = 2 2 .1,0 )09,0( x x− = 3,50. Giải ra ta được x= 0,57atm; P SO 3 = 0,33 atm. Bài 2. Tính nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng Một bình phản ứng dung tích 10 lít chứa 0,100 mol H 2 và 0,100 mol I 2 ở 689 0 K, biết hằng số cân bằng Kc = 54,4. Tính nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng? Bài giải H 2 + I 2  2HI t= 0 0,100 0,100 0 t = t ∞ 0,1 - x 0,1 - x 2x K C = ]][[ ][ 22 2 IH HI = 54,4 = ) 10 1,0 ).( 10 1,0 ( ) 10 2 ( 2 xx x −− . → x = 0,0787 [I 2 ] = [H 2 ] = 10 1,0 x− = 0,00231mol/l; [HI] = 2. 10 0787,0 = 0,0157 mol/lit Bài 3. Chứng minh phản ứng xảy ra hoàn toàn thông qua hằng số cân bằng. Tìm mối liên hệ giữa pH với hằng số cân bằng và nồng độ các chất ban đầu. Một hỗn hợp dung dịch CH 3 COOH và NaOH có nồng độ (mol/l ) đầu tương ứng là a và x. a. Viết các phương trình cân bằng axit-bazơ xảy ra trong hỗn hợp. b. Từ sự tính hằng số cân bằng, hãy chứng tỏ rằng phản ứng trong dung dịch là hoàn toàn. Cho K a = 1,8.10 -5 . c. Thiết lập phương trình pH phụ thuộc vào a và x, hằng số axit K a , tích ion của nước K w trong 3 trường hợp x<a; x=a; x>a. Bài giải a. CH 3 COOH + OH -  CH 3 COO - + H 2 O H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - CH 3 COOH + H 2 O  CH 3 COO + H 3 O + b. 9 Hằng số cân bằng nhận được trong phản ứng trung hòa: K c = COOHCH COOCH ][ ][ 3 3 − = w KCOOHCH OHCOOCH ].[ ]].[[ 3 33 +− = w a K K = 14 5 10 10.8,1 − − =1,8.10 9 Với giá trị rất lớn của K c chứng tỏ phản ứng xảy ra hoàn toàn. c. Dễ dàng tìm phương trình pH, đối với phản ứng trung hòa axit yếu bằng bazơ mạnh ta lập bảng sau: CH 3 COOH + OH - → CH 3 COO - + H 2 O x < a a - x bỏ qua x const x = a x(1-α) x(1-α) αx const bỏ qua x- a a const - Trường hợp x < a: [H 3 O + ] = x xaK a )( − →pH = pK a + C 0 .lg(a-x) + lgx - Trường hợp x = a: [CH 3 COOH] = [OH - ] = K w / [H 3 O + ] [CH 3 COO - ] ≈ x ( α≈1) [H 3 O + ] = x KK wa →pH = 2 1 ( pK a + pK w + lgx) - Trường hợp x > a: [OH - ] = x - a→ [H 3 O + ] = ax K w − →pH = pK w + lg(x-a) Bài 4. Đánh giá sự hòa tan các chất thông qua tích số tan. FeS và CuS chất nào tan được trong dd HCl ? Biết: T FeS = 5.10 -8 T CuS = 3,2.10 -38 ; H 2 S có K 1 = 10 -9 ; K 2 = 10 -13 . Bài giải Ta phải tính K của pư: MS + 2H + → ¬  M 2+ + 2H 2 S (*) - Nếu K lớn (∆G<0) thì pư xảy ra và ngược lại. Theo giả thiết ta có: MS → ¬  M 2+ + S 2- (1) T H 2 S → ¬  H + + HS - (2) K 1 . HS - → ¬  H + + S 2- (3) K 2 . - Để có pư (*) ta phải lấy pư (1) – (2) – (3). Do đó hằng số cân bằng của pư (*) = T.(K 1 ) -1 .(K 2 ) -1 . - Ứng với FeS thì K = 5.10 14 ∆G= -nRTlgK p <0 pư xảy ra; ứng với CuS thì K = 3,2.10 -16 => ∆G>0 pư không xảy ra. Bài 5 . Tính độ điện li α thông qua hằng số cân bằng. 10 [...]...Dung dịch axit xianhiđric HCN nồng độ 0,2M có hằng số Ka = 4,9 10-10 Xác định nồng độ H3O+ và độ điện ly Bi gii: HCN + 0,2 0,2 x Ka = H2O ơ H3O+ + 0 x CN0 x [ H 3O + ][CN ] x2 = = 4,9.10 10 [ HCN ] 0,2 x Vỡ Ka rt nh, HCN in li yu nờn [H3O+] cng rt nh vỡ vy ly mt... NXB Giỏo dc 9 Nguyn Quý Thao (tng biờn tp), Tuyn tp thi Olympic 30 thỏng 4, ln XII, NXB Giỏo dc XC NHN CA Thanh Húa Ngy 22 Thỏng 4 nm 2013 TH TRNG N V Tụi xin cam oan õy l SKKN ca mỡnh vit, khụng sao chộp ni dung ca ngi khỏc Ngi vit SKKN Nguyn Anh Th 21 . thống các dạng cân bằng hoá học để giúp học sinh hiểu rõ hơn, trên cơ sở đó có thể phân loại các dạng bài tập khác nhau. Chọn đề tài " Phân loại các biểu thức tính hằng số cân bằng hóa học và. phần cân bằng hoá học luôn là vấn đề trừu tượng và khó hiểu. Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi mạnh dạn đề xuất đề tài " ;Phân loại các biểu thức tính hằng số cân bằng hóa học và ứng dụng để giải. một cách định tính tương đối, đặc biệt các bài tập liên quan đến hằng số cân bằng hóa học. Do vậy, việc xây dựng cụ thể cho các em các dạng bài tập cân bằng trong hóa học như cân bằng kết tủa, cân