Xemtailieu Tải về Phương pháp giải bài toán về hiệu xuất tổng hợp amoniắc ở lớp 11 chương trình chuẩn
PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I. Lý do chọn đề tài. - Hoá học là một môn khoa học thực nghiệm nên việc trang bị cho học sinh các kiến thức thực nghiệm một cách chuẩn xác là vô cùng quan trọng. Một trong những kiến thức thực nghiệm mà học sinh được nghiên cứu ở chương trình THPT đó là hiệu suất phản ứng. - Hiệu suất phản ứng là một khái niệm tương đối trừu tượng đối với học sinh, nhưng nó lại là bài toán thực nghiệm liên quan trực tiếp đến những vấn đề thực tiễn trong đời sống sản xuất và có ý nghĩa vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với việc điều chế nguyên liệu với khối lượng lớn. - Trong quá trình giảng dạy cho học sinh trường THPT Lê Văn Linh, tôi thấy học sinh rất "sợ" khi gặp phải những bài toán có liên quan đến hiệu suất. Trong khi dạy, tôi phải lấy rất nhiều những ví dụ thực tế "mắt thấy tai nghe" thì học sinh mới hiểu sơ bộ về khái niệm. Nhưng khi bước vào tính toán thì các em thường xác định sai hướng làm và làm sai hoặc làm được nhưng mất nhiều thời gian. Do đó, tôi nghĩ mình là người phải tìm ra phương pháp để định hướng cho học sinh giải dạng toán này sao cho nhanh nhất và chính xác nhất. - Mặt khác, amoniac có vai trò rất quan trọng trong ngành sản xuất hoá chất và sản xuất phân bón. Nó là nguồn nguyên liệu rẻ và được dùng để sản xuất axit nitric trong công nghiệp, sản xuất phân đạm. Nếu hiệu suất phản ứng tổng hợp amoniac càng cao thì càng tiết kiệm được nguyên liệu, tiết kiệm kinh tế và sẽ hạ được giá thành sản phẩm. Vậy việc cho học sinh vận dụng kiến thức học tập trên lý thuyết vào thực tế thực sự có ý nghĩa, và việc xây dựng phương pháp giải bài toán về hiệu suất tổng hợp amoniac là việc cấp thiết. Là một giáo viên dạy hoá học, tôi đã nhìn thấy được những thực trạng trên và bản thân đã đưa ra được một số giải pháp để khắc phục thực trạng. Góp phần giúp học sinh vận dụng để giải bài tập, gắn lý thuyết vào thực tiễn và hơn hết giúp học sinh có kiến thức để vượt qua các kỳ thi tốt nghiệp THPT và tuyển sinh đại họccao đẳng. Vì vậy tôi mạnh dạn viết sáng kiến kinh nghiệm với đề tài: "Phương pháp giải bài toán về hiệu suất tổng hợp amoniac ở lớp 11 chương trình chuẩn". 1 II. Mục đích của đề tài - Hệ thống kiến thức cơ bản về hiệu suất phản ứng. - Giới thiệu tổng quan về phản ứng điều chế amoniac trong công nghiệp và vai trò của amoiac. - Giới thiệu một số dạng bài tập về phản ứng tổng hợp amoniac, đưa ra phương pháp giải, công thức tính nhanh và bài tập vận dụng cho từng dạng. - Đưa hệ thống bài tập trắc nghiệm khách quan (TNKQ) để áp dụng cho học sinh khối 11 trường THPT Lê Văn Linh, từ đó đánh giá và kiểm nghiệm đề tài. III. Nhiệm vụ của đề tài - Giúp học sinh hiểu đúng, hiểu rõ bản chất của phản ứng tổng hợp amoniac và phương pháp tính hiệu suất của phản ứng. Qua đó vận dụng được phương pháp, có kĩ năng giải chính xác, ngắn gọn những bài tập liên quan. - Vận dụng những kiến thức nghiên cứu trên lý thuyết, trên bài tập để vận dụng vào thực tiễn, khuyến khích học sinh tìm ra giải pháp để nâng cao hiệu suất phản ứng tổng hợp amoniac IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: nghiên cứu SGK 11,12 ; sách tham khảo về phần hiệu suất phản ứng, phản ứng tổng hợp NH3 - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: kiểm chứng cho các HS khối 11 trước và sau khi học. - Phương pháp toán học: sử dụng phương pháp toán học để tính toán và đánh giá kết quả học tập của HS V. Kế hoạch thực hiện đề tài Đề tài được thực hiện từ tháng 9/ 2012 đến hết tháng 03/ 2013. Kiểm nghiệm tại các lớp 11A, 11B trường THPT Lê Văn Linh- Thọ Xuân- Thanh Hóa. 2 PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu 1. Hiệu suất phản ứng - Hiệu suất phản ứng là tỉ số khối lượng , thể tích hay số mol sản phẩm thu được trong thực tế với khối lượng, thể tích hay số mol sản phẩm đáng lẽ phải thu được theo lý thuyết. Hiệu suất H tính theo % tính như sau: Sản phẩm thực tế H= ×100% Sản phẩm lý thuyết (Phương pháp giải toán hoá học - Nguyễn Phước Hoà Tân) - Nếu coi phản ứng là hoàn toàn thì hiệu suất phản ứng đạt 100% thì có ít nhất một chất tham gia phản ứng phải hết. Nhưng trên thực tế do một số nguyên nhân thì chất tham gia phản ứng không tác dụng hết (các chất đều còn lại), lúc này hiệu suất phản ứng nhỏ hơn 100%. - Nếu H< 100% thì lượng chất tham gia thực dùng nhiều hơn lượng lý thuyết (tính theo PTHH), còn lượng sản phẩm thu được bao giờ cũng nhỏ hơn lượng sản phẩm tính theo lý thuyết. - Công thức tính hiệu suất phản ứng: + Dựa vào một trong các chất tham gia phản ứng : Lượng thực tế đã phản ứng H= ×100% Lượng tổng số đã lấy + Dựa vào một trong các chất tạo thành: Lượng thực tế thu được H= ×100% Lượng thu theo lý thuyết (350 bài tập chọn lọc và nâng cao- Ngô Ngọc An) 3 - Hiệu suất phản ứng được tính theo chất thiếu (chất hết trước khi tính theo hệ số PTHH của phản ứng với giả sử H= 100%) hoặc tính theo sản phẩm. (Hướng dẫn giải nhanh bài tập hoá học - Cao Cự Giác) - Hiệu suất của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc điều kiện gây phản ứng (nhiệt độ, áp suất, xúc tác, thời gian và tỉ lệ pha trộn các nguyên liệu) chứ hoàn toàn không phụ thuộc khối lượng m, số mol n và thể tích V của nguyên liệu đem ra gây phản ứng. 2. Phản ứng tổng hợp amoniac T0, P, xt N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) H3, áp dụng công thức (*) ta có: H= (1 k )(1 d X ) Y 2 100% (1 4)(1 0,8) 100% 50% 2 c) k< 3. áp dụng công thức (**) ta có: H= 3(1 k )(1 d X ) Y 2k 100% 3(1 2)(1 0,8) 100% 45% 2.2 Ví dụ 4: Trong bình phản ứng có 100 mol N2 và H2 theo tỷ lệ 1: 3. Áp suất của hỗn hợp khí lúc đầu là 300 atm và của hỗn hợp khí sau phản ứng là 285 atm. Nhiệt độ trong bình được giữ không đổi. Tính hiệu suất phản ứng. Giải Cách 1:Vì điều kiện nhiệt độ và thể tích không đổi nên: mđ Pđ nđ Mđ Ms P 285 dY d X s 0,95 ms X Y Ps ns Mđ Pđ 300 Ms Áp dụng công thức (*) ta có: H= (1 k )(1 d X ) Y 2 100% (1 3)(1 0,95) 100% 10% 2 Cách 2: n N 2 25mol ; nH 2 75mol Gọi số mol N2 đã phản ứng là a PTHH: T0, P, xt N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) Ban đầu: 25 75 0 Phản ứng: a 3a 2a Cân bằng: (25-a) (75-3a) 2a mol mol mol 9 Hỗn hợp khí sau phản ứng gồm: N2: (25-a) mol H2 : (75-3a) mol NH3 : 2a mol ns=100-2a (mol) Vì điều kiện nhiệt độ và thể tích không đổi nên: P1 n 100 300 1 a= 2,5 (mol) P2 n2 100 2a 285 Hiệu suất phản ứng: H= a 2,5 100% 100% 10% 25 25 Dạng 2: Cho biết hiệu suất phản ứng, tìm khối lượng chất tham gia hoặc chất tạo thành. (Bài toán nghịch) 1. Cho hiệu suất phản ứng H tìm khối lượng amoniac thu được Ta có: H nNH 3 (TT ) nNH 3 ( LT ) (Trong đó: nNH 3 ( TT ) 100 n NH 3 (TT ) n NH 3 ( LT ) 100 H : là số mol NH3 thu được trên thực tế; nNH 3 ( LT ) là số mol NH3 tính theo phương trình hay trên lý thuyết) Từ đó tính được khối lượng NH3 thu được sau phản ứng. - Nhận xét: Ta thấy khối lượng NH3 thu được trên thực tế sẽ luôn nhỏ hơn khối lượng NH3 tính theo phương trình. 2. Cho biết hiệu suất phản ứng H, tìm khối lượng chất tham gia phản ứng (hay tính khối lượng N2 và H2 cần lấy với hiệu suất H để thu được lượng NH3 theo yêu cầu) n H 2 (TT ) n H 2 ( LT ) n N 2 (TT ) n N 2 ( LT ) H H 100 từ đó tính khối lượng Hiđro cần lấy. 100 từ đó tính khối lượng nitơ cần lấy. Hoặc ta có thể tính tương tự đối với công thức của khối lượng tuỳ thuộc từng bài toán. 10 - Nhận xét: Ta thấy khối lượng chất tham gia phản ứng trên thực tế bao giờ cũng lớn hơn khối lượng tính theo phương trình (trên lý thuyết) Ví dụ 1:( Bài 5- trang 31) Cần lấy bao nhiêu lít khí Nitơ và khí hiđro để điều chế được 67,2l khí amoniac? Biết các khí đều được đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và hiệu suất phản ứng là 25%. Giải. PTHH: T0, P, xt N2(k) + 3H2(k) 2 NH3(k) 1 3 2 lít y x 67,2l Tính theo PT:(Tỉ lệ về thể tích cũng là tỉ lệ về số mol khi các khí ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất) 67,2.3 x= VH 2 ( LT ) = = 100,8 lit 2 VH 2 (TT ) VH 2 ( LT ) H 100 = 100,8 100 =403,2 lit 25 67,2 y= VN 2 ( LT ) = = 33,6 lit 2 VN 2 (TT ) VN 2 ( LT ) H 100 = 33,6 100 =134,4 lit 25 Ví dụ 2:(Bài 8 - trang 38) Phải dùng bao nhiêu lit khí Nitơ và bao nhiêu lit khí H 2 để điều chế được 17g NH3. Biết hiệu suất chuyển hoá thành NH3 là 25%. (các khí ở đktc) Giải n NH 3 17 1 mol 17 PTHH: T0, P, xt N2(k) + 3H2(k) 1 3 y x 2 NH3(k) 2 mol 1 Tính theo PT 1 .3 x= nH 2 ( LT ) = = 1,5 mol 2 nH 2 (TT ) nH 2 ( LT ) H 100 = 1,5 100 = 6 mol 25 VH 2 (TT ) =134,4 lit 11 1 y= nN 2 ( LT ) = = 0,5 mol 2 n N 2 (TT ) nN 2 ( LT ) H 100 = 0,5 100 = 2mol 25 VN 2 (TT ) =44,8 lit Ví dụ 3: Cho x mol N2 và y mol H2 với tỉ lệ số mol tương ứng là 1:4 vào bình kín. Sau một thời gian phản ứng thấy có 8 mol NH3 được tạo thành. Biết hiệu suất của phản ứng là 80%. Tìm x và y? Giải. Vi y 4 N2 phản ứng hết so với H2, hiệu suất phản ứng tính theo N2 hoặc NH3 x PTHH: T0, P, xt N2(k) + 3H2(k) 1 3 a 2 NH3(k) 2 mol 8 8 a= nN 2 ( LT ) = = 4 mol 2 n N 2 (TT ) nN 2 ( LT ) H 100 = 4 100 = 5 mol 8 n N 2 (TT ) =x= 5 mol Mà: y= 4x nên y= 4.5= 20 mol Ví dụ 4: Người ta thực hiện phản ứng điều chế amoniac bằng cách cho 1,4 gam N2 phản ứng với H2 dư với hiệu suất 75%. Tính khối lượng amoniac điều chế được. Giải 1,4 0,05mol 28 PTHH: nN2 T0, P, xt 2 NH3(k) 2 mol x mol N2(k) + 3H2(k) 1 3 0,05 Tính theo PT: n NH 3 ( LT ) = x= 0,05.2= 0,1 mol Vì H= 75% , áp dụng công thức n NH 3 (TT ) n NH 3 (TT ) 0,1 100 75 0,075mol m NH 3 (TT ) n NH 3 ( LT ) 100 H 0,075.17 =1,275g 12 IV- Một số bài tập trắc nghiệm khách quan vận dụng phương pháp Câu 1. Hỗn hợp X gồm N2 và H2 có khối lượng mol trung bình bằng 7,2. Sau khi tiến hành phản ứng tổng hợp NH3, được hỗn hợp Y có khối lượng mol trung bình bằng 8. Hiệu suất phản ứng tổng hợp là : A. 20% B. 25% C. 40% D. 60% Câu 2: Hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với He bằng 2,32. Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác), thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H2 bằng 5,36. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 là: A. 25%. B. 26%. C. 27%. D. 28%. Câu 3. Trộn 4 lít N2 với 16 lít H2 cho vào bình phản ứng. Sau khi phản ứng đạt cân bằng thấy bình phản ứng có V(lít) hỗn hợp các khí. Tìm V, biết H = 20%. Các khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. A. 18,4 B. 19,2 C. 19,6 D. 16,8 Câu 4. Trộn 10 lít N2 với 15 lít H2 cho vào bình phản ứng. Sau khi phản ứng đạt cân bằng thấy bình phản ứng có V(lít) hỗn hợp các khí. Tìm V, biết H = 25%. Các khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. A. 23,75 B. 20 C. 22,5 D. 20 Câu 5. Trộn 10 lít N2 với 15 lít H2 cho vào bình phản ứng. Sau khi phản ứng đạt cân bằng thấy bình phản ứng có 22 lít hỗn hợp các khí. Tìm hiệu suất phản ứng. Các khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. A. 30 % B. 20 % C. 22,5 % D. 25% Câu 6. Để điều chế 4 lít NH3 từ N2 và H2 với hiệu suất 50% thì thể tích H2 cần dùng ở cùng điều kiện là bao nhiêu ? A. 4 lít B. 6 lít C. 8 lít D. 12 lít Câu 7. Cho 4 lít N2 và 14 lít H2 vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích bằng 16,4 lít (thể tích các khí được đo ở cùng điều kiện). Hiệu suất phản ứng là: A. 50% B. 30% C. 20% D. 40% Câu 8: Điều chế NH3 từ đơn chất. Thể tích NH3 tạo ra là 67,2lit. Biết hiệu suất phản ứng là 25%. Thể tích N2 (lit) cần là: A. 13,44 B. 134,4 C. 403,2 D. Tất cả đều sai 13 Câu 9: Hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với He bằng 3,1. Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác), thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với He bằng 3,875. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 là A. 50%. B. 40%. C. 25%. D. 36%. Câu 10: Hỗn hợp khí X gồm H2 và N2 (N2 được lấy dư so với H2 ). Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác), thu được 17,92 lít (đktc) hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với He bằng 3,875. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 là 50%. Phần trăm số mol của hỗn hợp đầu là: A. 40% và 60% B. 30% và 70% C. 25% và 755 D. 36% và 64% Câu 11: Cho 5 mol N2 và 14 mol H2 vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có thể tích bằng 13,4 mol. Hiệu suất phản ứng là A. 60% B. 50% C. 30% D. 40% Câu 12: Cho 2,5 mol N2 và 7 mol H2 vào bình phản ứng, hỗn hợp thu được sau phản ứng có tỉ khối so với H2 là 6,269. Hiệu suất phan ứng H=? A. 60% B. 55% C. 40% D. 30% Câu 13: Cho 5 mol hỗn hợp X gồm H2 và N2 vào bình kín phản ứng sau một thời gian thu được 3,68 mol hỗn hợp khí Y.Tính hiệu suất của phản ứng biết tỉ khối của X so với H2 là 3,6. A. 22% B. 44% C. 66% D. 88% Câu 14: Hỗn hợp X ( gồm H2 và N2 ) có dX/H2 =3,889. Đun nóng X có xúc tác một thời gian thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H 2 là 4,581. Hiệu suất của phản ứng là: A. 34% B. 48% C. 58% D. 68% Câu 15: Hỗn hợp X ( gồm H2 và N2 ) có dX/H2 =4,25. Đun nóng X có xúc tác một thời gian thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H2 là 7,59. Hiệu suất của phản ứng là: A. 66% B. 77% C. 88% D. 99% Câu 16: Hỗn hợp X ( gồm H2 và N2 ) có dX/H2 =3,6. Đun nóng X có xúc tác một thời gian thu được hỗn hợp khí Ycó tỉ khối so với H2 là 4,5. Hiệu suất của phản ứng là: 14 A. 20% B. 30% C. 40% D. 50% Câu 17: Hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với He bằng 1,8 . Đun nóng X một thời gian trong bình kín (có bột Fe làm xúc tác), thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H2 bằng 5,556. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH3 là : A. 66%. B. 68%. C. 86%. D. 88%. Câu 18: Một hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với H2 là 2,3 được nạp vào một bình kín có dung tích 8 lít và giữ ở nhiệt độ không đổi. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì áp suất giảm 18,8% áp suất ban đầu. Hiệu suất phản ứng là: A. 94% B. 84% C. 74% D. 64% Câu 19: Một hỗn hợp gồm 2 mol N2 và 4 mol H2 được nạp vào một bình kín có dung tích 6 lít và giữ ở nhiệt độ không đổi. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì áp suất bằng 2/3 áp suất ban đầu. Hiệu suất phản ứng là: A. 50% B. 75% C. 80% D. 85% Câu 20: Một hỗn hợp khí X gồm N2 và H2 có tỉ khối so với H2 là 6,2 được nạp vào một bình kín có dung tích 8 lít và giữ ở nhiệt độ không đổi. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì áp suất bằng 92/125 áp suất ban đầu. Hiệu suất phản ứng là: A. 46% B. 56% C. 66% D. Đáp án khác Hướng dẫn giải và đáp số Câu 1: M X 7,2 n N 2 : n H 2 1 : 4 k=4 ; M Y 8 d X 0,9 Y Áp dụng công thức (*) ta có: H (1 4)(1 0,9) 100% 25% 2 ĐA: B Câu 2: M X 9,28 k= 2,57 ; d X Y Áp dụng công thức (**) ta có: H 9,28 0,865 10,72 3(1 2,57)(1 0,865) 100% 28% 2.2,57 ĐA: D Câu 3: hỗn hợp X gồm 4l N2 và 16l H2 hiệu suất tính theo N2 H% VN 2 (TT ) VN 2 ( LT ) 100 VN 2 (TT ) 4.20 0,8l a 100 VY = 4+16- 2a = 20- 2.0,8 =19,2l ĐA: B 15 Câu 4: Hỗn hợp X gồm 10l N2 và 15l H2 hiệu suất tính theo H2 H% VH 2 (TT ) VH 2 ( LT ) 100 VH 2 (TT ) 15.25 1 3,75l VN 2 ( pu ) VH 2 (TT ) 1,25l a 100 3 VY = 10+15- 2a = 25- 2.1,25 = 22,5l ĐA: C Câu 5: VY = 10+15- 2a = 22 a= 1,5 = VN 2 (TT ) hiệu suất tính theo H2 3a 3.1,5 100% 100% 30% 15 15 ĐA: A H= Câu 6: V NH 4.100 8l 50 3 ( LT ) 3 3 VH 2 ( LT ) VNH 3 ( LT ) 8 12l 2 2 ĐA: D Câu 7: VY = 4+14- 2a = 16,4 a= 0,8l k>3 nên hiệu suất phản ứng tính theo N2 H a 100% 0,8 100% 20% 4 4 ĐA: C Câu 8: VNH 3 (TT ) 67,2l VN 2 ( LT ) VN 2 (tt ) 67,2 33,6l 2 33,6.100 134,4l 25 ĐA: B Câu 9: d X Y 3,1 0,8 ; M X 12,4 k=1,5 3,875 Áp dụng công thức (**) ta có: H 3(1 1,5)(1 0,8) 100% 50% 2.1,5 ĐA: A Câu 10: gọi số mol của N2 và H2 trong hỗn hợp X lần lượt là a và b. Vì N2 được lấy dư so với H2 nên hiệu suất phản ứng tính theo H2 H= 50% n H ( pu ) 0,5b mol 2 nY= a+2/3b=0,8 MY 28a 2b 15,5 0,8 a= 0,4 b=0,6 ĐA: A 16 Câu 11: : nY = 5+14- 2a = 13,4 a= 2,8 mol Vì k< 3 nên hiệu suất phản ứng tính theo H2 H 2,8.3 100% 60% 14 ĐA: A Câu 12: M X 2,5.28 7.2 8,842 8,842 ; M Y 12,538 d X 0,7 Y 9,5 12,538 k= 2,8