BÀI 1: KHÁI NIỆM VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

KHỞI ĐỘNG

Trong các phản ứng hóa học, có một loại phản ứng trong đó các chất sản phẩm có khả năng phản ứng tạo để tạo thành các chất đầu. Do vậy, phản ứng xảy ra không hoàn toàn và thường có hiệu suất không cao. Phản ứng tổng hợp amonia từ nitrogen và hydrogen thuộc loại phản ứng này. Các phản ứng này được gọi là phản ứng gì? Để tăng hiệu suất của chúng cần điều chỉnh những điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất, nồng độ,... như thế nào?

Giải nhanh:

- Được gọi là phản ứng thuận nghịch.

- Cần vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier.

1. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC

Thảo luận 1: Dựa vào phương trình hóa học của phản ứng điều chế khí Oxyden từ KMnO₄. Em hãy cho biết phản ứng có xảy ra theo chiều ngược lại hay không?

Giải nhanh:

Không xảy ra theo chiều ngược lại.

Luyện tập: Viết phương trình hóa học của một số phản ứng một chiều mà em biết.

Giải nhanh:

VD: NaOH + 2HCl → NaCl + H₂O

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂

Thảo luận 2: Phản ứng Cl₂ tác dụng với H₂O có đặc điểm gì khác với phản ứng nhiệt phân thuốc tím?

Giải nhanh:

Phản ứng Cl₂ tác dụng với H₂O là phản ứng thuận nghịch còn phản ứng nhiệt phân thuốc tím là phản ứng 1 chiều.

Luyện tập: Trên thực tế có các phản ứng sau:

2 H₂ + O₂ →  2H₂O (1)

2H₂O 2H₂ + O₂  (2)

Vậy có thể viết: 2H₂ + O₂ ⇌ 2H₂O được không? Vì sao?

Giải nhanh:

Không thể viết do hai phản ứng không cùng điều kiện phản ứng.

Thảo luận 3: Quan sát hình 1.1, nhận xét sự biến thiên nồng độ của các chất trong hệ phản ứng theo thời gian (với điều kiện nhiệt độ không đổi)

Giải nhanh:

Nồng độ của N₂, H₂ giảm dần và NH₃ tăng dần đến một thời điểm nồng độ các chất không đổi theo thời gian.

Thảo luận 4: Quan sát hình 1.2, nhận xét về tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng theo thời gian trong điều kiện nhiệt độ không đổi.

Giải nhanh:

Ban đầu tốc độ phản ứng thuận tăng và phản ứng nghịch tăng dần. Đến thời điểm cân bằng thì chúng bằng nhau.

2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

Thảo luận 5: Sử dụng dữ liệu bảng 1.1, hãy tính giá trị của biểu thức trong 5 thí nghiệm nhận xét giá trị thu được từ các thí nghiệm khác nhau

Bảng 1.1 Dữ liệu thực hiện về nồng độ các khí trước và sau khi hệ đạt trạng thái cân bằng ở 25^oC

Giải nhanh:

- Đặt x  =  

+ Thí nghiệm 1: x₁ = 214,9.

+ Thí nghiệm 2: x₂ = 214,51.

+ Thí nghiệm 3: x₃ = 217,62.

+ Thí nghiệm 4: x₄ = 217,16.

+ Thí nghiệm 5: x₅ = 215,78.

- Nhận xét: các giá trị thu được gần bằng nhau.

Thảo luận 6: Viết các biểu thức tính tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch của phản ứng thuận nghịch sau, biết phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều là phản ứng đơn giản:

aA + bB ⇌ cC + dD

Lập tỉ lệ giữa hằng số tốc độ phản ứng thuận và hằng số tốc độ phản ứng nghịch ở trạng thái cân bằng.

Giải nhanh:

Biểu thức:

Luyện tập: Cho hệ cân bằng sau: 

2SO₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2SO₃ (g)

Viết biểu thức tính hằng số cân bằng K_C của phản ứng trên.

Giải nhanh:

Biểu thức:

3. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HOÁ HỌC 

Thảo luận 7: Nêu hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm 1, từ đó cho biết chiều chuyển dịch cân bằng của phản ứng trong bình (2) và bình (3). 

Giải nhanh:

- Hiện tượng: màu hỗn hợp khí trong bình (2) nhạt dần còn trong bình (3) đậm dần.

- Cân bằng chuyển dịch trong bình (2) theo chiều thuận còn trong bình (3) là theo chiều nghịch.

Thảo luận 8: Nhận xét hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm 2

Giải nhanh:

Nhận xét: thấy màu hỗn hợp trong bình (1) đậm dần lên.

Thảo luận 9: Khi đun nóng phản ứng trong bình (1) chuyển dịch xảy ra theo chiều nào?

Giải nhanh:

Chuyển dịch theo chiều thuận.

4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC

Thảo luận 10: Cho biết chiều nào của phản ứng (1) là chiều thu nhiệt và chiều nào là chiều tỏa nhiệt?

Giải nhanh:

Chiều thuận tỏa nhiệt, chiều nghịch thu nhiệt.

Thảo luận 11: Từ hiện tượng ở thí nghiệm 1, cho biết khi làm lạnh bình (2) và khi làm nóng bình (3) thì cân bằng trong mỗi bình chuyển dịch theo chiều toả nhiệt hay thu nhiệt.

Giải nhanh: 

Ở bình (2) cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt còn bình (3) thì theo chiều phản ứng thu nhiệt.

Luyện tập: Người ta thường sản xuất vôi bằng phản ứng nhiệt phân calcium carbonate theo phương trình phản ứng hóa học sau

CaCO_{3 (s)} ⇌ CaO(s) + CO₂(s)  ΔrH⁰₂₉₈ = 178,49 kJ

Để nâng cao hiệu suất phản ứng ảnh sản xuất vôi cần điều chỉnh nhiệt độ như thế nào. Giải thích.

Giải nhanh:

Cần tăng nhiệt độ phản ứng vì khi đó cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng theo chiều thuận.

Thảo luận 12: Khi đẩy hoặc kéo pit-tong thì số mol khí ở hệ (2) thay đổi như thế nào?

Giải nhanh:

- Khi đẩy pit-tong thì số mol khí của hệ giảm.

- Khi kéo pit tong ra thì số mol khí của hệ tăng.

Luyện tập: Phản ứng tổng hợp amonia

N_2(g) + 3H₂(g)  ⇌ 2NH_3(g)

Để thu được NH₃ với hiệu suất cao, cần điều chỉnh áp suất như thế nào?

Giải nhanh:

Ta cần phải tăng áp suất.

Thảo luận 13: Hãy cho biết cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi thêm một lượng khí CO vào hệ cân bằng (3)

Giải nhanh:

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Vận dụng: Trong các hang động đá vôi thường xảy ra hiện tượng hình thành thạch nhũ và xâm thực của nước mưa vào đá vôi theo phương trình hóa học sau

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ⇌ Ca(HCO₃)₂

Hãy giải thích các quá trình này.

Giải nhanh:

- Nước mưa có hoà tan CO₂ bào mòn đá: CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(aq) → Ca(HCO₃)₂(aq).

- Sau đó Ca(HCO₃)₂ chảy nhỏ giọt từ trần hang động, tại đó chúng bị phân huỷ dần tạo thành thạch nhũ: Ca(HCO₃)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(aq).

BÀI TẬP

Bài 1: Hằng số cân bằng K_C của một phản ứng thuận nghịch phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?

A. Nồng độ.        B. nhiệt độ              C. Áp suất.            D. Chất xúc tác.

Giải nhanh:

Chọn B.

Bài 2: Yếu tố nào sau đây luôn luôn không làm chuyển dịch cân bằng của hệ phản ứng?

A. Nồng độ.        B. nhiệt độ              C. Áp suất.            D. Chất xúc tác.

Giải nhanh:

Chọn D.

Bài 3: Viết biểu thức tính K_C cho các phản ứng sau:

(1) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

(2) Cu₂O(s) + (g) ⇌ 2CuO(g)

Giải nhanh:

Bài 4: Xét các hệ cân bằng sau trong một bình kín:

a) C(s) + H₂O(g) ⇌ CO(g) + H₂(g)    =131 kJ

b) CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)    = -41 kJ

Các cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào khi thay đổi một trong các yếu tố sau 

(1) Tăng nhiệt độ 

(2) Thêm lượng hơi nước vào hệ 

(3) Thêm khí H₂ vào hệ 

(4) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống

(5) Dùng chất xúc tác 

Giải nhanh:

Bài 5: Cho phản ứng sau 

COCl₂ ⇌ Cl₂ + CO K_c = 8,2.10 ⁻² ở 900K

Tại trạng thái cân bằng nếu nồng độ CO và Cl₂ đều bằng 0,15 M thì nồng độ độ COCl₂ là bao nhiêu?

Giải nhanh:

Nồng độ độ COCl₂ là: K_C = 0,274 M.