BÀI 1.  KHÁI NIỆM VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

MỞ ĐẦU

Phản ứng hoá học là quá trình biến đổi các chất đầu thành sản phẩm. Tuy nhiên, có nhiều phản ứng, các chất sản phẩm sinh ra lại có thể phản ứng được với nhau tạo thành chất đầu. Đối với những phản ứng này, làm thế nào để thu được nhiều sản phẩm hơn và làm tăng hiệu suất phản ứng?

Giải nhanh:

Cách làm: vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier để chuyển dịch cân bằng theo mong muốn.

I. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU VÀ PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

Hoạt động: Hai thí nghiệm sau đều được thực hiện ở cùng một điều kiện (bình kín dung tích 10 L, nhiệt độ 445 ^oC):

Thí nghiệm 1: Cho 1 mol H₂ và 1 mol I₂ vào bình kín. Kết quả thí nghiệm cho thấy dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì trong bình vẫn chỉ tạo ra 1,6 mol HI; còn dư 0,2 mol H₂ và 0,2 mol I₂.

Thí nghiệm 2: Thí nghiệm 2: Cho 2 mol HI vào bình. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì trong bình vẫn chỉ tạo ra 0,2 mol H₂ và 0,2 mol I₂; còn dư 1,6 mol HI.

Thực hiện yêu cầu sau:

a) Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2.

b) Trong cả hai thí nghiệm trên, dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì các chất đầu đều còn lại sau phản ứng. Giải thích.

Giải nhanh:

a) TN1: H₂ + I₂ ⇌ 2HI.

TN2: 2HI ⇌ H₂+ I₂

b) Do hai phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch, trong cùng một điều kiện, các chất phản ứng tác dụng với nhau tạo thành các chất sản phẩm đồng thời các chất sản phẩm lại tác dụng với nhau tạo thành các chất ban đầu.

Câu hỏi 1:

Quá trình hình thành hang động, thạch nhũ là một ví dụ điển hình về phản ứng thuận nghịch trong tự nhiên.

Nước có chứa CO₂ chảy qua đá vôi, bào mòn đá tạo thành Ca(HCO₃)₂ (phản ứng thuận) góp phần hình thành các hang động. Hợp chất Ca(HCO₃)₂ trong nước lại bị phân hủy tạo ra CO₂ và CaCO₃ (phản ứng nghịch), hình thành các thạch nhũ, măng đá, cột đá.

Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra trong hai quá trình trên.

Giải nhanh:

PTHH: CaCO₃+ H₂O+ CO₂⇌ Ca(HCO₃)₂

Câu hỏi 2: Phản ứng xảy ra khi cho khí Cl₂ tác dụng với nước là một phản ứng thuận nghịch. Viết phương trình hóa học của phản ứng, xác định phản ứng thuận, phản ứng nghịch.

Giải nhanh:

+ PTHH: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO

+ Phản ứng thuận: Cl₂ + H₂O ⟶ HCl + HClO

+ Phản ứng nghịch: HCl + HClO ⟶ Cl₂ + H₂O

Câu hỏi 3: Nhận xét nào sau đây không đúng?

A. Trong phản ứng một chiều, chất sản phẩm không phản ứng được với nhau tạo thành chất đầu.

B. Trong phản ứng thuận nghịch, các chất sản phẩm có thể phản ứng với nhau để tạo thành chất đầu.

C. Phản ứng một chiều là phản ứng luôn xảy ra không hoàn toàn.

D. Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau trong cùng điều kiện.

Giải nhanh:

Chọn C. 

II. CÂN BẰNG HÓA HỌC

Hoạt động: Xét phản ứng thuận nghịch: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g).

Số liệu về sự thay đổi số mol các chất trong bình phản ứng ở thí nghiệm 1 được trình bảy trong Bảng 1.1 dưới đây:

Thực hiện các yêu cầu:

a) Vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi số mol các chất theo thời gian.

b) Từ đồ thị, nhận xét về sự thay đổi số mol của các chất theo thời gian.

c) Viết biểu thức định luật tác dụng khối lượng đối với phản ứng thuận và phản ứng nghịch, từ đó dự đoán sự thay đổi tốc độ của mỗi phản ứng theo thời gian (biết các phản ứng này đều là phản ứng đơn giản).

d) Bắt đầu từ thời điểm nào thì số mol các chất trong hệ phản ứng không thay đổi nữa?

Giải nhanh:

a) 

b) Nhận xét: số mol chất tham gia phản ứng giảm dần và chất sản phẩm tăng dần đến khi số mol các chất không thay đổi nữa.

c)  - Phản ứng thuận: v_t = k_t[H₂].[I₂]

- Phản ứng nghịch: v_n = k_n[HI]²

- Dự đoán: theo thời gian tốc độ phản ứng thuận giảm dần và phản ứng nghịch tăng dần, sau một thời gian thì tốc độ phản ứng không thay đổi theo thời gian.

d) Từ thời điểm t₄.

Câu hỏi 4: Cho phản ứng: 2HI (g) ⇌ H₂ (g) + I₂ (g)

a) Vẽ dạng đồ thị biểu diễn tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch theo thời gian.

b) Xác định trên đồ thị thời điểm phản ứng trên bắt đầu đạt đến trạng thái cân bằng.

Giải nhanh:

a) Đồ thị:

b) Tại thời điểm số mol các chất không thay đổi nữa.

Câu hỏi 5: Cho các nhận xét sau:

a) Ở trạng thái cân bằng, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

b) Ở trạng thái cân bằng, các chất không phản ứng với nhau.

c) Ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất sản phẩm luôn lớn hơn nồng độ các chất đầu.

d) Ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất không thay đổi.

Các nhận xét đúng là

A. (a) và (b).      B. (b) và (c).         C. (a) và (c).         D. (a) và (d).

Giải nhanh:

Chọn D.

Hoạt động: Xét phản ứng thuận nghịch: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

Thực hiện phản ứng trên ở trong bình kín, ở nhiệt độ 445 ^oC với các nồng độ ban đầu khác nhau. Số liệu về nồng độ các chất ở thời điểm ban đầu và trạng thái cân bằng trong các thí nghiệm được trình bày trong Bảng 1.2.

Tính giá trị K_C = HI2H2[I2] ở mỗi thí nghiệm, nhận xét kết quả thu được.

Giải nhanh:

- TN1: K_C = 64,00; 

- TN2: K_C = 63, 99; 

- TN3: K_C = 64,08

- Nhận xét: hằng số K_C chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bảng chất phản ứng.

Câu hỏi 6: Viết biểu thức hằng số cân bằng cho các phản ứng sau:

a) Phản ứng tổng hợp ammonia: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

b) Phản ứng nung vôi: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Giải nhanh:

a) KC=[NH3]2[H2]3[N2]

b) K_C = [CO₂]

Câu hỏi 7: Ammonia (NH₃) được điều chế bằng phản ứng sau: N₂(g) + 3H₂(g) ⇆ 2NH₃(g)

Ở t ^oC, nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng là:

[N₂] = 0,45 M; [H₂] = 0,14 m; [NH₃] = 0,62 M

Tính hằng số cân bằng của phản ứng trên tại t ^oC. 

Giải nhanh:

Hằng số cân bằng của phản ứng trên tại t ^oC là: K_C = 311,31.

III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC

Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)    

                              (màu nâu đỏ)         (không màu)

Chuẩn bị: 3 ống nghiệm chứa khí NO₂ nút kín có màu giống nhau, cốc nước đá, cốc nước nóng.

Tiến hành:

- Ống nghiệm (1) để so sánh.

- Ngâm ống nghiệm (2) vào cốc nước đá trong khoảng 1 – 2 phút.

- Ngâm ống nghiệm (3) vào cốc nước nóng trong khoảng 1 – 2 phút.

Lưu ý: NO₂ là một khí độc, chú ý nút kín ống nghiệm.

 Quan sát sự thay đổi màu sắc của khí trong các ống nghiệm và hoàn thành vào vở theo các mẫu bảng sau:…

Giải nhanh:

Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

CH₃COONa + H₂O ⇌ CH₃COOH + NaOH    

Chuẩn bị: dung dịch CH₃COONa 0,5M, phenolphthalein; cốc nước nóng, cốc nước đá, 3 ống nghiệm.

Tiến hành:

- Cho khoảng 10 mL dung dịch CH₃COONa 0,5 M vào cốc thuỷ tinh, thêm 1 – 2 giọt phenolphthalein, khuấy đều.

- Chia dung dịch thu được vào 3 ống nghiệm. Ống nghiệm (1) để so sánh, ống nghiệm (2) ngâm vào cốc nước đá, ống nghiệm (3) ngâm vào cốc nước nóng.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các ống nghiệm và hoàn thành vào vở theo các mẫu bảng sau:…

Giải nhanh:

Hoạt động: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

CH₃COONa + H₂O ⇌ CH₃COOH + NaOH

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến sự chuyển dịch cân bằng trên được thực hiện như sau:

- Cho một vài giọt phenolphthalein vào dung dịch CH₃COONa, lắc đều, dung dịch có màu hồng nhạt.

- Chia dung dịch thu được vào 3 ống nghiệm với thể tích gần bằng nhau. Ống nghiệm (1) để so sánh, ống nghiệm (2) thêm vài tinh thể CH₃COONa, ống nghiệm (3) thêm một vài giọt dung dịch CH₃COOH.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các ống nghiệm (Hình 1.4) và hoàn thành vào vở theo các mẫu bảng sau:…

Giải nhanh:

Câu hỏi 8: Cho các cân bằng sau: 

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)          ∆rH298o = 176 kJ  (1)

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)           ∆rH298o = - 198 kJ  (2)   

Nếu tăng nhiệt độ, các cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào? Giải thích

Giải nhanh:

- Cân bằng (1): chiều thu nhiệt. Do ∆rH298o > 0, chiều thuận là chiều thu nhiệt.

- Cân bằng (2): chiều thu nhiệt. Do ∆rH298o < 0, chiều thuận là chiều tỏa nhiệt.

Câu hỏi 9: Ester là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, một số ester được sử dụng làm chất tạo mùi thơm cho các loại bánh, thực phẩm. Phản ứng điều chế ester là một phản ứng thuận nghịch:

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Hãy cho biết cân bằng chuyển dịch theo chiều nào nếu

a) Tăng nồng độ của C₂H₅OH

b) Giảm nồng độ của CH₃COOC₂H₅

Giải nhanh:

a) Theo chiều thuận.

b) Theo chiều thuận. 

Câu hỏi 10: Cho các cân bằng sau:

a) SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

b) CO(g) + H₂O(g) ⇌ H₂(g) + CO₂(g)

c) PCl₅(g) ⇌ Cl₂(g) + PCl₃(g)

d) H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

Giải nhanh:

a) Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất tức là theo chiều thuận.

b) Cân bằng sẽ không chuyển dịch vì số mol khí ở hai vế của phản ứng bằng nhau.

c) Cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm áp suất tức là theo chiều nghịch.

d) Cân bằng sẽ không chuyển dịch vì số mol khí ở hai vế của phản ứng bằng nhau.

Câu hỏi 11: Trong công nghiệp, khí hydrogen được điều chế như sau:

Cho hơi nước đi qua than nung nóng, thu được hỗn hợp khí CO và H₂ (gọi là khí than ướt):

C(s) + H₂O(g) ⇌ CO(g) + H₂(g) ∆rH298o = 130 kJ (1)

Trộn khí than ướt với hơi nước, cho hỗn hợp đi qua chất xúc tác Fe₂O₃ :

CO(s) + H₂O(g) ⇌ CO₂ (g) + H₂(g) ∆rH298o = - 42 kJ (2)

a) Vận dụng nguyên lí Le Chatelier, hãy cho biết cần tác động yếu tố nhiệt độ như thế nào để các cân bằng (1), (2) chuyển dịch theo chiều thuận.

b) Trong thực tế, ở phản ứng (2), lượng hơi nước được lấy dư nhiều (4 – 5 lần) so với khí carbon monoxide. Giải thích.

c) Nếu tăng áp suất, cân bằng (1), (2) chuyển dịch theo chiều nào? Giải thích.

Giải nhanh:

a) - Cân bằng (1): tăng nhiệt độ của hệ.

- Cân bằng (2): giảm nhiệt độ của hệ.

b) Do khi tăng lượng hơi nước thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận nên sẽ làm tăng hiệu suất thu khí hydrogen.

c) Không chuyển dịch theo chiều nào vì số mol khí ở cả hai vế bằng nhau.

Câu hỏi 12: Trong cơ thể người, hemoglobin (Hb) kết hợp oxygen theo phản ứng thuận nghịch được biểu diễn đơn giản như sau:

Hb + O₂ ⇌ HbO₂

 Ở phổi, nồng độ oxygen lớn nên cân bằng trên chuyển dịch sang phải, hemoglobin kết hợp với oxygen. Khi đến các mô, nồng độ oxygen thấp, cân bằng trên chuyển dịch sang trái, giải phóng oxygen. Nếu thiếu oxygen ở não, con người có thể bị đau đầu, chóng mặt. 

a) Vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier, em hãy đề xuất biện pháp để oxygen lên não được nhiều hơn?

b) Khi lên núi cao, một số người cũng gặp hiện tượng bị đau đầu, chóng mặt. Dựa vào cân bằng trên, em hãy giải thích hiện tượng này. 

Giải nhanh:

a) Cần hít sâu để nồng độ oxygen trong phổi cao hơn.

b) Do ở trên núi cao, áp suất riêng phần của oxygen giảm, theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng thì cân bằng trên sẽ chuyển dịch sang trái, gây ra sự thiếu oxygen trong các mô.