Bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học | Hoá Học | Chương 1: Cân bằng hóa học - Lớp 11 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

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 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?

Hoạt động nghiên cứu:

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

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: 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 12; 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.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP:

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 huỷ tạo ra CO₂ và CaCO₃ (phản ứng nghịch), hình thành các thạch nhũ, măng đá, cột đá.

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

2. Phản ứng xảy ra khi cho khí CI₂ tác dụng với nước là một phản ứng thuận nghịch. Viết phương trình hoá học của phản ứng, xác định phản ứng thuận, phản ứng nghịch.

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 đề 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.

Hoạt động nghiên cứu:

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

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

Bảng 1.1. Số mol các chất trong bình phản ứng của thi nghiệm 1 thay đổi theo thời gian

Thời gian (giây)	t0	t1	t2	t3	t4	t5	...	t
Số mol H2	1,0	0,6	0,4	0,3	0,2	0,2	0,2	0,2
Số mol I2	1,0	0,6	0,4	0,3	0,2	0,2	0,2	0,2
Số mol HI	0	0,8	1,2	1,4	1,6	1,6	1,6	1,6

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 đồi 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?

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.

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 đồi. Các nhận xét đúng là

A. (a) và (b).

B. (b) và (c).

C. (a) và (c).

D. (a) và (d).

Hoạt động nghiên cứu:

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

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

Bảng 1.2. Nồng độ các chất của phản ứng H₂(g) + I₂(g) 2HI(g) ở thời điểm ban đầu và ở trạng thái cân bằng

Tính giá trị

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP:

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)

7. Ammonia (NH₃) được điều chế bằng phản ứng: N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) Ở t°C, 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 Kỹ của phản ứng trên tại t °C.

Hoạt động thí nghiệm:

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

2NO₂(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.

Hoạt động nghiên cứu:

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 ba ống nghiệm với thể tích gần bằng nhau. Ông nghiệm (1) để so sánh, ống nghiệm (2) thêm vài tinh thể CH₃COONa, ống nghiệm (3) thêm một vài giọt dung dịch CH₃COOH.

Hình 1.4. Ảnh hưởng của nồng độ đến sự chuyển dịch cân bằng

CH₃COONa + H₂O

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

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP:

8. Cho các cân bằng sau:

CaCO3(s) CaO(s) + CO₂(g)        

2SO₂(g) + O₂(g) 2SO₃(g)       

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

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(l) + C₂H₅OH (l) CH₃COOC₂H₅ (l) + H₂O(l)

Hãy cho biết cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào nếu

a) Tăng nồng độ của C₂H₅OH.

b) Giảm nồng độ của CH₃COOC₂H₅.

EM CÓ BIẾT

Ảnh hưởng của áp suất tới chuyển dịch cân bằng:

2NO₂(khối lượng) N₂O₄(g)

(màu nâu đỏ)      (không màu)

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

Lấy một ống xi-lanh đựng khí NO₂. Đẩy pít-tông xuống để làm giảm thể tích và làm tăng áp suất trong ống. Lúc này, màu của khí trong xi-lanh đậm hơn. Sau một thời gian, khí trong ống lại nhạt màu hơn (Hình 1.5). Như vậy, khi tăng áp suất, cân bằng trên chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí trong xi-lanh.

Hình 1.5. Ảnh hưởng của áp suất đến sự chuyển dịch cân bằng 2NO₂(g) N₂O₄(g)

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP:

10. Cho các cân bằng sau:

a) 2SO₂ (g) + O₂(g) 2SO₃(gí)

b) CO(g) + H₂O(g) H₂(g) + CO₂(g)

c) PCl₅(g) Cl₂(g) + PCl₃(g)

d) H₂(g) + I₂(g) 2HI(g)

Nếu tăng áp suất và giữ nguyên nhiệt độ, các cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào? Giải thích.

EM CÓ BIẾT

Chất xúc tác

Đối với các phản ứng thuận nghịch xảy ra với tốc độ chậm thì chất xúc tác giúp hệ phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau nên không làm chuyển dịch cân bằng.

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)            (1)

CO(g) +H₂O(g) CO₂(g) +H₂(g)         

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.

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 Chatelie, 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.

EM ĐÃ HỌC

• Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau trong cùng điều kiện.
• Cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch, tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
• Biểu thức hằng số cân bằng Kỹ của phản ứng thuận nghịch aA +bBcC +dD là: 

K_c chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng, không phụ thuộc nồng độ ban đầu của các chất.

Không biểu diễn nồng độ chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng.

• Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động bên ngoài như biến đồi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.

EM CÓ THỂ

Vận dụng được nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier đề giải thích các cân bằng hoá học diễn ra trong tự nhiên và trong cơ thể người. Áp dụng trong việc chăm sóc sức khoẻ và giải thích các hiện tượng trong tự nhiên,...

Xác định được các yếu tố cần tác động đề cân bằng hoá học chuyển dịch theo chiều mong muốn, làm tăng hiệu suất phản ứng.