Công thức tính hiệu suất tổng hợp NH₃ lớp 11 (hay, chi tiết)

Bài viết Công thức tính hiệu suất tổng hợp NH₃ lớp 11 trình bày đầy đủ công thức, ví dụ minh họa có lời giải chi tiết và các bài tập tự luyện giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Công thức tính hiệu suất tổng hợp NH₃ từ đó học tốt môn Hóa học.

I. Lý thuyết và phương pháp giải

Phản ứng tổng hợp ammonia:

$N_{2\left(g\right)}+3H_{2\left(g\right)}\stackrel{t^o,\mathrm{xt},p}{\rightleftharpoons }2{\mathrm{NH}}_{3\left(g\right)}$

Gọi số mol N₂ phản ứng là x mol ⇒ số mol H₂ phản ứng là 3x mol.

Ta có: n_sau = n_trước – 2x (mol) $\to n_{N_2\left(\mathrm{phan}\mathrm{ung}\right)}=\frac{n_{\mathrm{truoc}}-n_{\mathrm{sau}}}{2}$

Bảo toàn khối lượng: $\frac{n_{\mathrm{truoc}}}{n_{\mathrm{sau}}}=\frac{\overline{M_{\mathrm{sau}}}}{\overline{M_{\mathrm{truoc}}}}$

Từ đó ta tính được x và hiệu suất phản ứng: $H=\frac{n_{\mathrm{phan}\mathrm{ung}}}{n_{\mathrm{ban}\mathrm{dau}}}.100\%$ (tính theo chất hết trước).

Chú ý:

- Nếu đề bài chỉ cho tỉ lệ mol của N₂ và H₂ thì ta có thể chọn số mol của N₂ và H₂ đúng như tỉ lệ đã cho để tính toán.

- Nếu đề không cho $\overline{M_{\mathrm{truoc}}},\overline{M_{\mathrm{sau}}}$ mà cho P_trước, P_sau thì áp dụng công thức $\frac{n_{\mathrm{truoc}}}{n_{\mathrm{sau}}}=\frac{p_{\mathrm{truoc}}}{p_{\mathrm{sau}}}$

- Trường hợp đặc biệt nếu $\frac{n_{H_2}}{n_{N_2}}=3$ thì có thể tính nhanh hiệu suất phản ứng $H=2-2.\frac{\overline{M_{\mathrm{truoc}}}}{\overline{M_{\mathrm{sau}}}}$

+ Nếu $\frac{n_{H_2}}{n_{N_2}}>3\to$H₂ dư (so với lượng cần thiết), hiệu suất phản ứng tính theo N₂.

+ Nếu $\frac{n_{H_2}}{n_{N_2}}<3\to$N₂ dư (so với lượng cần thiết), hiệu suất phản ứng tính theo H₂.

+ Nếu $\frac{n_{H_2}}{n_{N_2}}=3\to$hiệu suất tính theo N₂ hoặc H₂ đều được.

II. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1. Cho vào bình kín 0,2mol N₂ và 0,8mol H₂ với xúc tác thích hợp. Sau một thời gian thấy tạo ra 0,3mol NH₃. Hiệu suất phản ứng được tổng hợp là

A. 75%.

B. 56,25%.

C. 75,8%.

D. kết quả khác.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Giả sử H = 100% thì N₂ hết → Hiệu suất phản ứng tính theo N₂;

Theo bài ra: n_{nitrogen phản ứng} = $\frac{1}{2}.n_{{\mathrm{NH}}_3}=$0,15 mol

H = $\frac{0,15}{0,2}.100\%=75\%.$

Ví dụ 2: Hỗn hợp khí X gồm N₂ và H₂ có tỉ khối đối với H₂ bằng 3,6. Nung nóng X trong bình kín có bột Fe xúc tác, thu được hỗn hợp khí Y có số mol giảm 8% so với ban đầu. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃ là

A. 25%.

B. 23%.

C. 16%.

D. 20%.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Giả sử ban đầu có x mol N₂ và y mol H₂.

Ta có: $\frac{28x+2y}{x+y}=3,6.2\iff 4x=y$

Giả sử có 1 mol N₂ và 4 mol H₂. Vậy số mol ban đầu là 5 mol.

Tổng số mol khí sau phản ứng: n_sau = (1 – x) + (4 – 3x) + 2x = 5 – 2x (mol).

Số mol Y giảm 8% so với ban đầu $\Rightarrow 2x=5.\frac{8}{100}\Rightarrow x=0,2$

Giả sử H = 100% thì N₂ hết, do đó hiệu xuất phản ứng tính theo N₂.

Ta có: H = $\frac{0,2}{1}.100\%$ = 20%.

III. Bài tập vận dụng

Câu 1. Hỗn hợp khí A gồm N₂ và H₂ (có tỉ lệ mol 1 : 3). Đun nóng A một thời gian trong bình kín, thu được hỗn hợp B có tỉ khối d_A/B = 0,925. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃ là

A. 25%.

B. 15%.

C. 10%.

D. 5%.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Gọi số mol của N₂ và H₂ lần lượt là 1 và 3 mol

Bảo toàn khối lượng: $\frac{n_A}{n_B}=\frac{M_B}{M_A}\to n_B=3,7\mathrm{mol}$

So sánh: $\frac{n_{N_2}}{n_{H_2}}=\frac{1}{3}\to$hiệu suất tính theo N₂ hoặc H₂

Gọi số mol N₂ phản ứng là x mol

Phương trình hóa học:

Ta có: (1 – x) + (3 – 3x) + 2x = 3,7 Þ x = 0,15

$\Rightarrow H=\frac{0,15}{1}.100\%=15\%.$

Câu 2.Trong một bình kín chứa 10 lít nitrogen và 10 lít hydrogen ở nhiệt độ 0^oC và 10 atm. Sau phản ứng tổng hợp NH₃, lại đưa bình về 0^oC. Biết rằng có 60% hydrogen tham gia phản ứng, áp suất trong bình sau phản ứng là

A. 10 atm.

B. 8 atm.

C. 9 atm.

D. 8,5 atm.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

So sánh: $\frac{V_{N_2}}{V_{H_2}}=\frac{n_{N_2}}{n_{H_2}}=\frac{1}{1}\to$hiệu suất tính theo H₂

$V_{H_2\left(\mathrm{phan}\mathrm{ung}\right)}=10.\frac{60}{100}=6$ lít

Phương trình hóa học:

Vì trước và sau phản ứng nhiệt độ không thay đổi nên:

$\frac{V_1}{V_2}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{P_1}{P_2}\to$$\frac{20}{16}=\frac{10}{P_2}\to P_2=8\mathrm{atm}.$

Câu 3. Cho hỗn hợp khí (X) gồm N₂, H₂, NH₃, có tỉ khối so với khí hydrogen là 8. Dẫn hỗn hợp khí (X) đi qua dung dịch H₂SO₄ đặc, dư thì thể tích khí còn lại một nửa. Thành phần % theo thể tích mỗi khí trong hỗn hợp (X) lần lượt là

A. 25% N₂, 25% H₂ và 50% NH_3.

B. 25% N₂, 50% H₂ và 25% NH_3.

C. 50% N₂, 25% H₂ và 25% NH_3.

D. 20% N₂, 30% H₂ và 50% NH₃.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Dung dịch H₂SO₄ đặc hấp thụ NH₃, lượng khí giảm là lượng NH₃ bị hấp thụ.

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

⇒ %NH₃ = 50%

Giả sử số mol hỗn hợp = 1 mol ⇒ $n_{{\mathrm{NH}}_3}=0,5\mathrm{mol}$$\Rightarrow n_{H_2}+n_{N_2}=0,5\left(\mathrm{mol}\right)$ (1)

Tỉ khối của hỗn hợp so với H₂ = 8

⇒ $d_{\frac{\mathrm{hh}}{H_2}}=8\Rightarrow {\overline{M}}_{\mathrm{hh}}=8.2=16$$\Rightarrow m_{\mathrm{hh}}=16.1=16\left(g\right)$

⇒ $m_{H_2}+m_{N_2}=m_{\mathrm{hh}}-m_{{\mathrm{NH}}_3}$$=16-0,5.17=7,5\left(g\right)$

⇒ $2.n_{H_2}+28.n_{N_2}=7,5$ (2)

Từ (1) và (2) ⇒ $n_{H_2}=n_{N_2}=0,25\left(\mathrm{mol}\right)$

⇒ %N₂ = %H₂ = 25%.

Câu 4. Cho x mol N₂ và 12 mol H₂ vào bình kín dung tích 10 lít, tại thời điểm cân bằng thấy có 6 mol NH₃ tạo thành. Biết hiệu suất của phản ứng là 60%. Giá trị của x là

A. 5.

B. 9.

C. 3.

D. 12.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Ta có: $\frac{3}{x}.100\%=60\%$ → x = 5 mol.

Câu 5. Dùng 11,15 lít khí hydrogen (đkc) với hiệu suất chuyển hoá thành ammonia là 33,33% thì có thể thu được m gam NH₃ là

A. 17 gam.

B. 8,5 gam.

C. 5,1 gam.

D. 1,7 gam.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Do H = 33,33% → m = 0,3.17.33,33% = 1,7 gam.

Câu 6. Để điều chế ra 2 lít NH₃ từ N₂ và H₂ với hiệu suất 25% thì cần thể tích N₂ ở cùng điều kiện là

A. 8 lít.

B. 4 lít.

C. 2 lít.

D. 1 lít.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Do H = 25% nên $V_{N_2}=\frac{1}{25}.100=4$ lít.

Câu 7. Điều chế NH₃ từ hỗn hợp hồm N₂ và H₂ (tỉ lệ 1 : 3). Tỉ khối hỗn hợp trước so với hỗn hợp sau phản ứng là 0,9. Hiệu suất phản ứng là

A. 25%.

B. 40%.

C. 10%.

D. 20%.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Ta có $\frac{M_{\mathrm{truoc}}}{M_{\mathrm{Sau}}}$ = 0,9

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: m_sau = m _trước

⇒ $\frac{n_{\mathrm{truoc}}}{n_{\mathrm{sau}}}=\frac{M_{\mathrm{sau}}}{M_{\mathrm{truoc}}}=\frac{10}{9}$

Giả sử ban đầu có 10 mol khí ⇒$n_{H_2}=7,5\mathrm{mol};$ $n_{N_2}=2,5\mathrm{mol}$

(Do ban đầu số mol N₂ : H₂ = 1 : 3 → hiệu suất tính theo H₂ hoặc N₂)

Sau phản ứng $n=n_{H_2}+n_{N_2}+n_{{\mathrm{NH}}_3}$$=7,5-3x+2,5–x+2x$$=10–2x=9$

⇒ x = 0,5 ⇒$H\%=\frac{0,5}{2,5}.100\%=20\%.$

Câu 8. Cho cân bằng hoá học sau:

Tổng số mol của hỗn hợp khí khi hệ đạt cân bằng ở nhiệt độ 400 °C và 500 °C lần lượt bằng x và y. Mối quan hệ giữa x và y là

A. x > y.

B. x = y.

C. x

D. 5x = 4y.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Phản ứng tỏa nhiệt do ${\Delta }_r{H}_{298}^0<0$ nên khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Vậy tổng số mol khí ở 400^oC > tổng số mol khí ở 500^oC

⇒ x > y.

Câu 9. Hỗn hợp X gồm N₂ và H₂ có tỉ lệ mol tương ứng là 1 : 4. Nung nóng X trong bình kín ở nhiệt độ khoảng 450^oC có bột Fe xúc tác, thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H₂ bằng 4. Hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃ là

A. 20%.

B. 25%.

C. 30%.

D. 10%.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Giả sử có 1 mol N₂ và 4 mol H₂.

Tổng số mol khí sau phản ứng: n_sau = (1 – x) + (4 – 3x) + 2x = 5 – 2x (mol).

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng có:

m_trước = m_sau ⇔ 28.1 + 2.4 = (5 – 2x).4.2 Þ x = 0,25.

Giả sử H = 100% thì N₂ hết, do đó hiệu suất phản ứng tính theo N₂.

Ta có: H = $\frac{0,25}{1}.100\%$ = 25%.

Câu 10. Cho 4 lít N₂ và 14 lít H₂ vào bình kín rồi nung nóng với xúc tác thích hợp để phản ứng xảy ra, sau phản ứng thu được 16,4 lít hỗn hợp khí (các khí đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất). Thể tích khí amoniac thu được là

A. 1,60 lít.

B. 16,40 lít.

C. 8,00 lít.

D. 9,33 lít.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất thì tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ số mol.

Gọi thể tích khí N₂ đã phản ứng là x lít

Phương trình hóa học:

Tổng thể tích sau phản ứng là 16,4 lít nên (4 – x) + (14 - 3x) + 2x = 16,4

⇒ x = 0,8 lít.

$\Rightarrow V_{{\mathrm{NH}}_3}=0,8.2=1,6$ lít.

Xem thêm các bài viết về công thức Hóa học 11 hay, chi tiết khác:

• Công thức tính chuẩn độ acid - base

• Lập công thức phân tử của hợp chất hữu cơ

• Lập công thức đơn giản nhất của hợp chất hữu cơ

• Công thức tính độ bất bão hòa k

• Công thức tính số đồng phân alkane

• Công thức tính số đồng phân arene

---