Chào các em học sinh yêu quý của lớp 11! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài toán thú vị về phản ứng tổng hợp amoniac trong sách giáo khoa Hóa học. Các em hãy tập trung lắng nghe và ghi chép đầy đủ nhé.

Đề bài cho chúng ta: Cho 4 lít N2 và 14 lít H2 vào bình phản ứng. Hỗn hợp thu được có thể tích bằng 16,4 lít (đo cùng điều kiện). Tính thể tích NH3 và hiệu suất phản ứng.

Trước tiên, cô trò mình sẽ phân tích đề bài và xác định các kiến thức cần vận dụng. Bài toán này liên quan đến phản ứng thuận nghịch, cụ thể là phản ứng tổng hợp NH3 từ N2 và H2. Chúng ta sẽ sử dụng định luật Avogadro, coi thể tích khí tỉ lệ thuận với số mol khí ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Bước 1: Viết phương trình hóa học của phản ứng

Phản ứng tổng hợp amoniac được biểu diễn như sau:
N2 + 3H2 <=> 2NH3

Bước 2: Tính toán sự thay đổi thể tích của hỗn hợp khí

Ban đầu, chúng ta có:
Thể tích N2 = 4 lít
Thể tích H2 = 14 lít
Tổng thể tích ban đầu = Thể tích N2 + Thể tích H2 = 4 lít + 14 lít = 18 lít.

Sau phản ứng, thể tích hỗn hợp thu được là 16,4 lít.
Sự thay đổi thể tích = Tổng thể tích ban đầu – Thể tích hỗn hợp sau phản ứng
Sự thay đổi thể tích = 18 lít – 16,4 lít = 1,6 lít.

Theo phương trình hóa học, cứ 1 mol N2 phản ứng với 3 mol H2 thì tạo ra 2 mol NH3. Tức là, nếu có 4 mol khí tham gia phản ứng (1 mol N2 + 3 mol H2), thì số mol khí sau phản ứng giảm đi là 4 – 2 = 2 mol.

Áp dụng định luật Avogadro, sự thay đổi thể tích cũng tuân theo tỉ lệ số mol. Sự giảm đi 1,6 lít thể tích này chính là thể tích của khí đã phản ứng theo tỉ lệ giảm.

Bước 3: Tính thể tích NH3 tạo thành

Từ tỉ lệ trong phương trình hóa học, ta thấy:
Nếu thể tích hỗn hợp giảm 2 phần thì thể tích NH3 tạo thành là 2 phần.
Ở đây, sự giảm thể tích là 1,6 lít.
Vậy, thể tích NH3 tạo thành = 1,6 lít.

Bước 4: Tính hiệu suất phản ứng

Hiệu suất phản ứng được tính theo công thức:
Hiệu suất (%) = (Thể tích chất sản phẩm tạo thành / Thể tích chất tham gia phản ứng tính theo lí thuyết) * 100%

Để tính hiệu suất, chúng ta cần xác định chất nào phản ứng hết (chất giới hạn). Chúng ta có tỉ lệ thể tích ban đầu N2 : H2 = 4 : 14 = 2 : 7.
Theo phương trình hóa học, tỉ lệ N2 : H2 phản ứng là 1 : 3.

So sánh tỉ lệ ban đầu và tỉ lệ phản ứng:
Nếu H2 phản ứng hết (14 lít), thì lượng N2 cần là:
\( \text{Thể tích N2 cần} = \frac{14 \text{ lít H2}}{3} = \frac{14}{3} \approx 4.67 \text{ lít} \)
Vì lượng N2 ban đầu chỉ có 4 lít, nhỏ hơn 4.67 lít, nên N2 là chất giới hạn.

Nếu N2 phản ứng hết (4 lít), thì lượng H2 cần là:
\( \text{Thể tích H2 cần} = 4 \text{ lít N2} \times 3 = 12 \text{ lít} \)
Lượng H2 ban đầu là 14 lít, lớn hơn 12 lít. Vậy H2 còn dư.

Do đó, N2 là chất phản ứng hết.

Bây giờ, chúng ta sẽ tính hiệu suất dựa trên chất giới hạn (N2).
Thể tích NH3 tạo thành thực tế là 1,6 lít.

Lượng N2 đã phản ứng để tạo ra 1,6 lít NH3:
Từ phương trình: 1 lít N2 tạo ra 2 lít NH3.
Vậy, thể tích N2 đã phản ứng để tạo ra 1,6 lít NH3 là:
\( \text{Thể tích N2 đã phản ứng} = \frac{1.6 \text{ lít NH3}}{2} = 0.8 \text{ lít} \)

Thể tích N2 ban đầu là 4 lít.
Hiệu suất phản ứng tính theo N2 là:
\( \text{Hiệu suất} (\%) = \left( \frac{\text{Thể tích N2 đã phản ứng}}{\text{Thể tích N2 ban đầu}} \right) \times 100\% \)
\( \text{Hiệu suất} (\%) = \left( \frac{0.8 \text{ lít}}{4 \text{ lít}} \right) \times 100\% = 0.2 \times 100\% = 20\% \)

Kết luận:

Thể tích NH3 thu được là 1,6 lít.
Hiệu suất phản ứng là 20%.

Các em thấy không, bài toán này không hề khó nếu chúng ta nắm vững phương trình hóa học và các định luật cơ bản. Hãy luyện tập thêm nhiều dạng bài tương tự để củng cố kiến thức nhé! Có bạn nào có câu hỏi gì không?