TÀI LIỆU HỌC TẬP: ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN VÀ ĐỊNH LUẬT DALTON

1. Khái niệm Áp Suất Riêng Phần

Trong một hỗn hợp khí, mỗi khí cấu thành sẽ gây ra một áp suất riêng. Áp suất này được gọi là áp suất riêng phần của khí đó. Áp suất riêng phần của một khí trong hỗn hợp là áp suất mà khí đó sẽ gây ra nếu nó chiếm toàn bộ thể tích của hỗn hợp ở cùng nhiệt độ.

• Ký hiệu: Áp suất riêng phần của khí A thường được ký hiệu là $P_A$.

2. Định luật Dalton về Áp Suất Riêng Phần

Định luật Dalton phát biểu rằng: Áp suất tổng cộng của một hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các khí cấu thành.

• Công thức:

  $P_{tổng} = P_1 + P_2 + P_3 + ... + P_n$

  Trong đó:

  • $P_{tổng}$: Áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí.
  • $P_1, P_2, P_3, ..., P_n$: Áp suất riêng phần của các khí thành phần 1, 2, 3, ..., n.

3. Mối quan hệ giữa Áp Suất Riêng Phần và Số mol

Áp suất riêng phần của một khí trong hỗn hợp có thể được tính toán thông qua mối quan hệ với số mol của khí đó và áp suất tổng cộng của hỗn hợp.

• Công thức:

  $P_i = x_i \cdot P_{tổng}$

  Trong đó:

  • $P_i$: Áp suất riêng phần của khí thứ i.
  • $x_i$: Phần mol của khí thứ i trong hỗn hợp, được tính bằng công thức: $x_i = \frac{n_i}{n_{tổng}}$
    • $n_i$: Số mol của khí thứ i.
    • $n_{tổng}$: Tổng số mol của tất cả các khí trong hỗn hợp.
  • $P_{tổng}$: Áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí.

4. Ứng dụng của Định luật Dalton

Định luật Dalton có nhiều ứng dụng trong hóa học, đặc biệt trong các bài toán liên quan đến:

• Tính áp suất của khí thu được khi thực hiện các phản ứng hóa học.
• Xác định thành phần của hỗn hợp khí.
• Tính toán các thông số liên quan đến cân bằng hóa học trong pha khí.

5. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Một bình kín chứa hỗn hợp khí gồm 2 mol N$_2$ và 3 mol O$_2$ ở 27°C. Áp suất của hỗn hợp khí là 2 atm. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí.

Giải:

1. Tính tổng số mol khí:

   $n_{tổng} = n_{N_2} + n_{O_2} = 2 \text{ mol} + 3 \text{ mol} = 5 \text{ mol}$

2. Tính phần mol của mỗi khí:

   $x_{N_2} = \frac{n_{N_2}}{n_{tổng}} = \frac{2 \text{ mol}}{5 \text{ mol}} = 0.4$

   $x_{O_2} = \frac{n_{O_2}}{n_{tổng}} = \frac{3 \text{ mol}}{5 \text{ mol}} = 0.6$

3. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí:

   $P_{N_2} = x_{N_2} \cdot P_{tổng} = 0.4 \cdot 2 \text{ atm} = 0.8 \text{ atm}$

   $P_{O_2} = x_{O_2} \cdot P_{tổng} = 0.6 \cdot 2 \text{ atm} = 1.2 \text{ atm}$

Ví dụ 2: Cho 10 lít khí N$_2$ và 20 lít khí H$_2$ vào bình phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn. Sau phản ứng thu được hỗn hợp khí A gồm NH$_3$ và khí dư. Biết rằng hiệu suất phản ứng là 50%. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợp A.

Giải:

1. Viết phương trình phản ứng:

   $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$

2. Tính số mol ban đầu của các khí:

   • $n_{N_2} = \frac{V_{N_2}}{22.4} = \frac{10 \text{ lít}}{22.4 \text{ lít/mol}} \approx 0.446 \text{ mol}$

   • $n_{H_2} = \frac{V_{H_2}}{22.4} = \frac{20 \text{ lít}}{22.4 \text{ lít/mol}} \approx 0.893 \text{ mol}$

3. Xác định chất phản ứng hết và tính số mol các chất sau phản ứng:

   • Tỉ lệ mol phản ứng: $\frac{n_{N_2}}{1} = 0.446$ và $\frac{n_{H_2}}{3} = 0.298$. Vậy H$_2$ phản ứng hết trước.
   • Số mol H$_2$ phản ứng: $n_{H_2 \text{ phản ứng}} = n_{H_2 \text{ ban đầu}} \cdot H\% = 0.893 \text{ mol} \cdot 50\% = 0.4465 \text{ mol}$
   • Số mol N$_2$ phản ứng: $n_{N_2 \text{ phản ứng}} = \frac{1}{3} n_{H_2 \text{ phản ứng}} = \frac{1}{3} \cdot 0.4465 \text{ mol} \approx 0.1488 \text{ mol}$
   • Số mol NH$_3$ tạo thành: $n_{NH_3} = \frac{2}{3} n_{H_2 \text{ phản ứng}} = \frac{2}{3} \cdot 0.4465 \text{ mol} \approx 0.2977 \text{ mol}$
   • Số mol N$_2$ dư: $n_{N_2 \text{ dư}} = n_{N_2 \text{ ban đầu}} - n_{N_2 \text{ phản ứng}} = 0.446 \text{ mol} - 0.1488 \text{ mol} \approx 0.2972 \text{ mol}$

4. Tính tổng số mol khí sau phản ứng:

   $n_{tổng} = n_{NH_3} + n_{N_2 \text{ dư}} = 0.2977 \text{ mol} + 0.2972 \text{ mol} \approx 0.5949 \text{ mol}$

5. Tính phần mol của mỗi khí:

   $x_{NH_3} = \frac{n_{NH_3}}{n_{tổng}} = \frac{0.2977 \text{ mol}}{0.5949 \text{ mol}} \approx 0.5005$

   $x_{N_2} = \frac{n_{N_2 \text{ dư}}}{n_{tổng}} = \frac{0.2972 \text{ mol}}{0.5949 \text{ mol}} \approx 0.4995$

6. Tính áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí A:

   • Ở đktc, P = 1 atm

7. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí:

   $P_{NH_3} = x_{NH_3} \cdot P_{tổng} = 0.5005 \cdot 1 \text{ atm} \approx 0.5005 \text{ atm}$

   $P_{N_2} = x_{N_2} \cdot P_{tổng} = 0.4995 \cdot 1 \text{ atm} \approx 0.4995 \text{ atm}$

6. Bài tập tự luyện

1. Một bình kín chứa 4 gam H$_2$ và 32 gam O$_2$ ở 0°C. Áp suất của hỗn hợp khí là 5 atm. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí.
2. Cho 2 lít khí SO$_2$ và 3 lít khí O$_2$ vào bình phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn. Sau phản ứng thu được hỗn hợp khí B gồm SO$_3$ và khí dư. Biết rằng hiệu suất phản ứng là 80%. Tính áp suất riêng phần của mỗi khí trong hỗn hợp B.
3. Một hỗn hợp khí gồm N$_2$ và H$_2$ có tỉ khối so với He là 2.5. Tính thành phần phần trăm theo thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp. Nếu áp suất của hỗn hợp là 3 atm, tính áp suất riêng phần của mỗi khí.

7. Lưu ý khi giải bài tập

• Luôn chuyển đổi các đơn vị về đơn vị chuẩn (ví dụ: lít về mol, °C về K).
• Xác định rõ chất nào phản ứng hết, chất nào dư.
• Sử dụng đúng công thức và các mối quan hệ liên quan.
• Kiểm tra lại kết quả để đảm bảo tính chính xác.