BÀI 1. MỞ ĐẦU VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

MỞ ĐẦU

Khí NO₂ (màu nâu đỏ) liên tục chuyển thành khí N₂O₄ (không màu) và ngược lại, tại một điều kiện xác định. Cũng tại điều kiện này, bình khí NO₂ hay bình khí N₂O₄ (Hình 1.1), sau những khoảng thời gian xác định đều chuyển thành hỗn hợp khí có thành phần như nhau và không đổi theo thời gian.

Tại thời điểm hỗn hợp khí trong hai bình có thành phần như nhau, có phản ứng diễn ra trong hai bình này không?

Giải nhanh:

Có phản ứng diễn ra trong hai bình này.

I. KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

Câu hỏi 1: Hãy nêu một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch mà em biết.

Giải nhanh:

VD: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃

Luyện tập 1: Phản ứng thuận nghịch có xảy ra hoàn toàn được không? Vì sao?

Giải nhanh:

Không xảy ra hoàn toàn được vì phản ứng xảy ra đồng thời sự chuyển chất phản ứng thành chất sản phẩm và phản ứng.

Câu hỏi 2: Xét Ví dụ 2:

a) Giải thích vì sao màu tím của hỗn hợp khí lại nhạt dần so với lúc mới bắt đầu trộn hai khí H₂ và I₂ với nhau.

b) Sau một khoảng thời gian, màu tím của hỗn hợp không thay đổi, chứng tỏ nồng độ của chất nào không thay đổi?

 Giải nhanh:

a) Do phản ứng thuận diễn ra, nồng độ H₂ và I₂ giảm dần nên vt giảm dần.

b) Chứng tỏ nồng độ của I₂ không thay đổi nữa.

Câu hỏi 3: Cho hai đồ thị (a) và (b) dưới đây. Mỗi đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ của phản ứng thuận và tốc độ của phản ứng nghịch theo thời gian.

Hãy cho biết đồ thị nào thể hiện đúng Ví dụ 2. Đường màu xanh trong đồ thị đó biểu diễn tốc độ phản ứng thuận hay tốc độ phản ứng nghịch? 

Giải nhanh:

Đồ thị (a) thể hiện đúng Ví dụ 2. Đường màu xanh biểu diễn tốc độ phản ứng nghịch.   

Câu hỏi 4: Vì sao giá trị ktkn là một hằng số ở nhiệt độ xác định?

Giải nhanh:

Do k_t, k_n lần lượt là hằng số tốc độ phản ứng thuận, mà giá trị của k_t, k_n chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của các chất tham gia phản ứng.

II. BIỂU THỨC HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ Ý NGHĨA

Câu hỏi 5: Viết biểu thức hằng số cân bằng K_C cho phản ứng thuận nghịch:

a) N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

b) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Giải nhanh:

a) KC=[NH3]2N2H23 

b) KC=[CO2]

Câu hỏi 6: Viết biểu thức hằng số cân bằng K_C cho phản ứng (*), (**) dưới đây.

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)              (*)

H2(g) + I2(g)⇌2HI(g)            (**)

Theo em, giá trị hai hằng số cân bằng này có bằng nhau không?

Giải nhanh:

Giá trị hai hằng số cân bằng này bằng nhau.

Luyện tập 2: Trong công nghiệp, hydrogen được sản xuất từ phản ứng:

CH₄(g) + H₂O(g) ⇌ 3H₂(g) + CO(g)

a) Tính hằng số cân bằng K_C của phản ứng trên ở 760 ^oC.

Biết ở nhiệt độ này, tất cả các chất đều ở thể khí và nồng độ mol của CH₄, H₂O, H₂ và CO ở trạng thái cân bằng lần lượt là 0,126 M; 0,242 M; 1,150 M và 0,126 M.

b*) Ở 760 ^oC, giả sử ban đầu chỉ có CH₄ và H₂O có nồng độ bằng nhau và bằng x M. Xác định x, biết nồng độ của H₂ ở trạng thái cân bằng là 0,6 M.

Giải nhanh:

a) Hằng số cân bằng K_C của phản ứng trên ở 760 ^oC là: K_C = 6,285.

b) Ở trạng thái cân bằng 3nH₂ = nCO. 

[CO] = 0,6 : 3 = 0,2 M

[CH4] = [H2O] = x - 0,2

KC==0.63.0,2(x-0,2).(x-0,2)   = 6,285 ⇒ x = 0,29 M

Vận dụng 1: Hãy cho biết trong công nghiệp, để thu được nhiều NH₃ hơn thì cần tăng hay giảm nồng độ N₂ và H₂. 

Giải nhanh:

Cần tăng nồng độ N2 và H2.

Câu hỏi 7: Hai acid HA và HB cùng nồng độ ban đầu là 0,5 M, phân li trong nước theo các cân bằng:

HA ⇌ H⁺ + A^-

HB ⇌ H⁺ + B^-

Với các hằng số cân bằng (hay gọi là hằng số phân li acid) tương ứng là K_C(HA) = 0,2 và K_C(HB) = 0,1. Tính nồng độ H⁺ của mỗi dung dịch acid. Rút ra kết luận về mối liên hệ giữa độ mạnh của acid với độ lớn của hằng số phân li acid. Biết rằng acid càng mạnh khi càng dễ tạo ra H⁺.

 Giải nhanh:

- Gọi nồng độ mol H⁺ ở hai phản ứng ở trạng thái cân bằng lần lượt là x và y

K_C(HA) = 0,2 =xx0,5-x  x = 0,23 M

K_C(HB) = 0,1 =yy0,5-y y = 0,18 M

- Nhận xét: acid càng mạnh, hằng số phân li acid càng lớn.

Luyện tập 3: Methanol (CH₃OH) là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hoá học. Dựa vào hằng số cân bằng của các phản ứng ở 25 ^oC, hãy lựa chọn phản ứng thích hợp để điều chế CH₃OH. Giải thích.

CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)                       K_C = 2,26.10⁴        (1)

CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g)       K_C = 8,27.10^-1       (2)

Giải nhanh:

Phản ứng thích hợp là phản ứng (1) vì có KC rất lớn so với 1 nên phản ứng thuận diễn ra thuận lợi hơn rất nhiều so vi phản ứng nghịch.

Thí nghiệm 1: 

Chuẩn bị: Ba ống nghiệm (1), (2), (3) chứa NO₂ (có màu giống nhau), một cốc nước nóng (70 – 80 ^oC) và một cốc nước đá.CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)                       K_C = 2,26.10⁴        (1)

CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g)       K_C = 8,27.10^-1       (2)

Tiến hành: Ống nghiệm thứ nhất (1) được để ở nhiệt độ phòng (khoảng 25 ^oC). Ống nghiệm thứ hai (2) được nhúng vào cốc nước nóng. Ống nghiệm thứ ba (3) được nhúng vào cốc nước đá.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng và giải thích.

Biết NO₂ có thể chuyển hoá thành N₂O₄ theo phản ứng thuận và ngược lại N₂O₄ có thể chuyển lại thành NO₂ theo phản ứng nghịch. Quá trình này được biểu diễn theo phản ứng thuận nghịch sau:

2NO₂(g)      ⇌       N₂O₄(g)       ∆rH2980 = −58 kJ    (8)

màu nâu đỏ            không màu

Chú ý an toàn: Khí NO₂ độc nên tránh hít phải khí NO₂. Nên làm thí nghiệm này trong tủ hốt.

Giải nhanh:

- Ống nghiệm (2): hỗn hợp trong ống nghiệm có màu đậm dần lên do khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

- Ống nghiệm (3): hỗn hợp trong ống nghiệm trở nên nhạt màu hơn do khi giảm nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

III. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, NỒNG ĐỘ VÀ ÁP SUẤT ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC

Câu hỏi 8: Từ Thí nghiệm 1, hãy cho biết:

a) Dựa vào dấu hiệu nào để biết trạng thái cân bằng của phản ứng (8) bị chuyển dịch khi thay đổi nhiệt độ.

b*) Khi tăng nhiệt độ hoặc giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt hay toả nhiệt?

Giải nhanh:

a) Dựa vào dấu hiệu màu sắc.

b) - Khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt.

- Khi giảm nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều toả nhiệt.

Thí nghiệm 2:

Chuẩn bị: CH₃COONa tinh thể; ống nghiệm, cốc thuỷ tinh.

Tiến hành: Cho một thìa thuỷ tinh tinh thể sodium acetate (CH₃COONa) vào ống nghiệm A chứa khoảng 5 mL nước cất, lắc đều cho tan hết, rồi thêm vào ống nghiệm 2 – 3 giọt chất chỉ thị phenolphthalein. Rót khoảng một nửa dung dịch từ ống nghiệm A sang ống nghiệm B, sau đó đặt ống nghiệm B vào một cốc nước nóng (khoảng 70 ^oC – 80 ^oC). Sau khoảng 2 phút, quan sát và so sánh màu sắc của dung dịch trong hai ống nghiệm A và B.

Cho biết giữa ion acetate và nước có phản ứng thuận nghịch sau:

                                CH3COO−+H2O⇌CH3COOH+OH−(9)

Yêu cầu: Thảo luận về chiều chuyển dịch cân bằng trên khi nhiệt độ tăng lên.

Giải nhanh:

Hiện tượng: ống nghiệm B có màu đậm hơn so với ống nghiệm A.

Thảo luận: Khi nhiệt độ tăng lên, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

Luyện tập 4: Dựa vào thí nghiệm 2, cho biết khi tăng nhiệt độ thì cân bằng (9) chuyển dịch theo chiều thuận hay chiều nghịch?

Giải nhanh:

Cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận.

Luyện tập 5: Cân bằng sau chuyển dịch theo chiều nào khi tăng nhiệt độ?

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)     ∆rH2980 = -197,8 kJ.

Giải nhanh:

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Câu hỏi 9: Cân bằng 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g) chuyển dịch theo chiều nào khi tăng áp suất của hỗn hợp (bằng cách nén hỗn hợp) ở điều kiện nhiệt độ không đổi. Biết rằng áp suất tỉ lệ với số mol chất khí.

Giải nhanh:

Chuyển dịch theo chiều thuận.

Vận dụng 2: Quá trình tổng hợp NH₃ trong công nghiệp từ N₂ và H₂ nên thực hiện ở áp suất cao hay áp suất thấp? Giải thích. Tìm hiểu thông tin, cho biết phản ứng tổng hợp NH₃ ở các nhà máy thường được thực hiện ở áp suất nào.

Giải nhanh:

- Nên thực hiện ở áp suất cao vì khi tăng áp suất, cân bằng dịch chuyển theo chiều làm giảm áp suất tức theo chiều thuận.

- Thường được thực hiện ở áp suất 200 – 300 atm.

Vận dụng 3: Thành phần chính của tinh dầu chuối là ester CH₃COOCH₂CH₂CH(CH₃)₂. Để thu được hỗn hợp chất chứa nhiều ester này thì cần thay đổi nồng độ các chất như thế nào trong cân bằng:

CH₃COOH(aq) + ROH(aq) ⇌ CH₃CHOOR(aq) + H₂O(l)

Với R – là (CH₃)₂CHCH₂CH₂ –.

Giải nhanh:

Tăng nồng độ một trong hai chất ban đầu hoặc giảm nồng độ các sản phẩm.

BÀI TẬP

Bài 1: Phát biểu nào sau đây về một phản ứng thuận nghịch tại trạng thái cân bằng là không đúng?

A. Tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

B. Nồng độ của tất cả các chất trong hỗn hợp phản ứng là không đổi.

C. Nồng độ mol của chất phản ứng luôn bằng nồng độ mol của chất sản phẩm phản ứng.

D. Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn diễn ra.

Giải nhanh:

Chọn C.

Bài 2: Cho 0,4 mol SO₂ và 0,6 mol O₂ vào một bình dung tích 1 lít được giữ ở một nhiệt độ không đổi. Phản ứng trong bình xảy ra như sau:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, lượng SO₃ trong bình là 0,3 mol. Tính hằng số cân bằng K_C của phản ứng tổng hợp SO₃ ở nhiệt độ trên.

Giải nhanh:

Hằng số cân bằng K_C của phản ứng tổng hợp SO₃ là: K_C = 20.

Bài 3: Nhũ đá được hình thành trong các hang động liên quan đến cân bằng sau đây:

Ca(HCO₃)₂ (aq) ⇌ CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O(l)

Nếu nồng độ CO₂ hoà tan trong nước tăng lên thì có thuận lợi cho sự hình thành nhũ đá hay không? Giải thích.

Giải nhanh:

Không thuận lợi cho sự hình thành nhũ đá do nồng độ CO₂ tăng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch.