Giải Hóa 11 Kết nối tri thức Bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học

Mở đầu

Câu hỏi mở đầu bài Hóa 11 Kết nối tri thức Bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học: Phản ứng hóa 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 là và làm tăng hiệu suất phản ứng?

Trả lời:

- Để thu được nhiều sản phẩm hơn là và làm tăng hiệu suất phản ứng cần tác động biến đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất.

I. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

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^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.

Trả lời:

a) Phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra:

- Trong thí nghiệm 1: H₂(g) + I₂(g) ⇌2HI(g).

- Trong thí nghiệm 2: 2HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g).

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. 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 (phản ứng thuận), đồng thời các chất sản phẩm lại tác dụng với nhau tạo thành các chất ban đầu (phản ứng nghịch).

Câu hỏi và bài tập

Câu 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 chức 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.

Trả lời:

Phản ứng thuận: CaCO₃ + H₂CO₃ → Ca(HCO₃)₂

Phản ứng nghịch: Ca(HCO₃)₂ → CO₂ + H₂O + CaCO₃

Câu 2: Phản ứng xảy ra khi cho khí Cl₂ 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.

Trả lời:

Cl₂+ H₂O → HCl + HClO (phản ứng thuận).

Trả lời:

=> Hằng số cân bằng ở các thí nghiệm thay đổi không đáng kể. Vậy hằng số cân bằng của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

Câu hỏi và bài tập

Câu 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)

Trả lời:

Biểu thức hằng số cân bằng của các phản ứng:

a) $KC = \frac{\begin{bmatrix}
NH_{3}\end{bmatrix}^{^{2}}}{\begin{bmatrix}
NH^{2} \\
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
H_{2} \\
\end{bmatrix}^{3}}$

b) KC = [CO₂]

Chú ý:

Đối với các phản ứng có chất rắn tham gia, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng.

Câu 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 KC của phản ứng trên tại t °C.

Trả lời:

Hằng số cân bằng KC của phản ứng tại t ^oC là:

$KC = \frac{\begin{bmatrix}
NH_{3}\end{bmatrix}^{^{2}}}{\begin{bmatrix}
NH^{2} \\
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
H_{_{}2} \\
\end{bmatrix}^{3}}=\frac{0,62^{2}}{0,45.(0,14)^{3}}=311,31$

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển cân bằng hóa học

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hoạt động thí nghiệm

Thí nghiệm 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự dịch chuyển cân bằng

Trả lời:

Thí nghiệm 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự dịch chuyển cân bằng

Trả lời:

2. Ảnh hưởng của nồng độ

Hoạt động nghiên cứu

Lời giải:

Câu hỏi và bài tập

Câu 8: Cho các cân bằng sau:

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)              $\Delta _{r}H_{298}^{o} = 176KJ$

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)                  $\Delta _{r}H_{298}^{o} = -198KJ$

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

Trả lời:

- Nếu tăng nhiệt độ, cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là theo chiều thu nhiệt. Mặt khác, $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ > 0, chiều thuận là chiều thu nhiệt, vì vậy nếu tăng nhiệt độ, cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều thuận.

Câu 9: Ester là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, một số ester được dùng 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.

Trả lời:

a) Tăng nồng độ của C₂H₅OH, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận, tức chiều làm giảm nồng độ.

b) Giảm nồng độ của CH₃COOC₂H₅, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận, tức chiều làm tăng nồng độ.

Câu 10: Cho các cân bằng sau:

a) 2SO₂(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)

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

Trả lời:

- Khi tăng áp suất chung của hệ, thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, tức là chiều làm giảm số mol khí và ngược lại.

Câu 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)  $\Delta _{r}H_{298}^{o} = 130KJ$ (1)

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

CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)  $\Delta _{r}H_{298}^{o} = -42KJ$ (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.

Trả lời:

a) Phản ứng (1) có $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ > 0, chiều thuận là thu nhiệt, nên để cân bằng chuyển dịch về bên phải thì cần tăng nhiệt độ (thực tế phản ứng được thực hiện ở khoảng 1.000°C).

Phản ứng (2) có $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ < 0, chiều thuận là toả nhiệt, nên để cân bằng chuyển dịch về bên phải thì cần giảm nhiệt độ (thực tế phản ứng được thực hiện ở khoảng 450°C, nhiệt độ không quả thấp để làm tăng tốc độ phản ứng).

b) Ở phản ứng (2), người ta lấy lượng hơi nước dư nhiều (thường dư 4 - 5 lần) so với khí carbon monoxide, tức là làm tăng nồng độ của hơi nước, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ của hơi nước, tức là theo chiều thuận.

c) Nếu tăng áp suất, các cân bằng (1), (2) không chuyển dịch theo chiều nào vì số mol khí ở cả hai vế bằng nhau.