Giải SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Mở đầu về cân bằng hoá học

Mở đầu (trang 6) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Tại một điều kiện xác định, khí NO₂ (màu nâu đỏ) liên tục chuyển hoá thành khí N2O4 (không màu) và ngược lại, tại một điều kiện xác định. Tại điều kiện này, khí NO₂ cũng như khí N₂O₄ trong các bình riêng biệt (Hình 1.1), sau một thời gian 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 hay không?

Trả lời:

Phản ứng:          2NO₂(g)           ⇌            N₂O₄(g)

                           (nâu đỏ)                       (không màu)

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

- Phản ứng chuyển hóa NO₂ thành N₂O₄.

- Phản ứng chuyển hóa N₂O₄ thành NO₂.

I. Khái niệm phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng

Câu hỏi 1 (trang 7) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Hãy nêu một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch mà em biết.

Một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch:

+ Phản ứng của khí chlorine với nước:

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇌ HCl(aq) + HClO(aq).

+ Phản ứng hình thành hang động, thạch nhũ trong tự nhiên:

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

+ Phản ứng của hơi iodine với khí hydrogen:

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

Luyện tập 1 (trang 7) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Phản ứng thuận nghịch có xảy ra hoàn toàn được không? Vì sao?

Lời giải:

Câu hỏi 2 (trang 7) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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?

Trả lời:

     H₂(g)    +  I₂(g)     ⇌   2HI(g)

Không màu    Tím        Không màu

a) Màu tím của hỗn hợp khí lại nhạt dần so với lúc mới bắt đầu trộn hai khí H₂ và I₂, với nhau vì khi trộn H₂ và I₂ phản ứng thuận diễn ra tạo khí HI không màu.

b) Sau một khoảng thời gian, màu tím của hỗn hợp không thay đổi, chứng tỏ nồng độ của I₂ không thay đổi

Câu hỏi 3 (trang 8) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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?

Trả lời:

Đồ thị (a) thể hiện đúng Ví dụ 2. Do sau một khoảng thời gian nhất định, tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

Đường màu xanh trong đồ thị biểu diễn tốc độ phản ứng nghịch. Do sau khi trộn hai khí, phản ứng thuận diễn ra, nồng độ H₂ và I₂ giảm dần nên v_thuận giảm dần. Trong khi đó, lượng HI sinh ra theo phản ứng thuận càng nhiều và nồng độ HI tăng nên v _nghịch tăng dần.

Câu hỏi 4 (trang 8) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Vì sao giá trị $\frac{k_{t}}{k_{n}}$ là một hằng số ở nhiệt độ xác định?

Trả lời:

Vì $\frac{k_{t}}{k_{n}}$ chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất trong cân bằng và nhiệt độ.

=> Giá trị $\frac{k_{t}}{k_{n}}$ là một hằng số ở nhiệt độ xác định.

II. Biểu thức hằng số cân bằng và ý nghĩa

1. Biểu thức hằng số cân bằng

Câu hỏi 5 (trang 9) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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)

Trả lời:

a) N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: $K_{C}=\frac{\left [ NH_{3} \right ]^{2}}{\left [ NH_{2} \right ].\left [ H_{2} \right ]^{3}}$

b) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: K_C = [CO₂]

Câu hỏi 6 (trang 9) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Viết biểu thức hằng số cân bằng K_C cho phản ứng (*), (**) dưới đây.

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) (*)

$\frac{1}{2}H_{2}(g)+\frac{1}{2}l_{2}(g)\rightleftharpoons Hl(g)$ (**)

Trả lời:

(*) K_{C}=\frac{\left [ NH \right ]^{2}}{\left [ H_{2} \right ].\left [ I_{2} \right ]}

(**) $K_{C}=\frac{\left [ HI \right ]}{\left [ H_{2} \right ]\frac{1}{2}.\left [ I_{2} \right ]\frac{1}{2}}$

2. Ý nghĩa của biểu thức hằng số cân bằng

Luyện tập 2 (trang 9) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Trong công nghiệp, hydrogen được sản xuất từ phản ứng: CH₄ (g) + H₂O (g) ⇌ 3H₂ (g) + CO (g)

a) Tính hằng số cân bằng KC của phản ứng trên ở 760 °C.

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 cần bằng lần lượt là 0,126 M; 0,242 M; 1,150 M và 0,126 M.

b) Ở 760 °C, giả sử ban đầu chỉ có CH₄, 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.

Lời giải:

Vận dụng 1 (trang 10) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Hãy cho biết trong công nghiệp, để thu được nhiều NH₃ hơn thì cần tăng hay giảm nồng độ N₂ và H₂.

Lời giải:

Biểu thức hằng số cân bằng của phản ứng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) là: $K_{C}=\frac{\left [ NH_{3} \right ]^{2}}{\left [ NH_{2} \right ].\left [ H_{2} \right ]^{3}}\Rightarrow \left [ NH_{3} \right ]=\sqrt{K_{C}.\left [ N_{2} \right ].\left [ H_{2} \right ]^{3}}$

Vậy để thu được nhiều NH₃ hơn cần tăng nồng độ của N₂ và H₂.

Câu hỏi 7 (trang 10) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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⁺.

Trả lời:

Luyện tập 3 (trang 11) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Methanol (CH₃OH) là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hoá học. Dựa vào hằng số cân bằng của các phản ứng ở 25 °C, hãy lựa chọn phản ứng thích hợp để điều chế CH₃OH. Giải thích.

Lời giải:

Ở 25^oC, K(C) (1) > K(C) (2) nên tốc độ xảy ra phản ứng thuận (tạo thành methanol) của phản ứng (1) lớn hơn phản ứng (2). Do đó phản ứng thích hợp để điều chế CH₃OH là phản ứng (1).

III. Ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ và áp suất đến cân bằng hoá học

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cân bằng hóa học

Câu hỏi 8 (trang 11) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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?

Trả lời:

a) Dựa vào màu sắc của khí trong ống nghiệm để biết trạng thái cân bằng của phản ứng bị dịch chuyển khi thay đổi nhiệt độ.

b) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ.

Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nhiệt độ, tức là chiều phản ứng toả nhiệt, nghĩa là chiểu làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.

Luyện tập 4 (trang 12) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Dựa vào thí nghiệm 2, cho biết khi tăng nhiệt độ thì cân bằng (9) dịch chuyển theo chiều thuận hay chiều nghịch?

Lời giải:

CH₃COO− + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH−

Khi tăng nhiệt độ thì cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận vì màu dung dịch đậm hơn.

2. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Luyện tập 5 (trang 12) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Cân bằng sau chuyển dịch theo chiều nào khi tăng nhiệt độ?

2SO₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2SO₃ (g)  

$\Delta _{r}H_{0}^{298}=-197,8KJ$

Lời giải:

Theo chiều thuận: $\Delta _{r}H_{0}^{298}$ = -197,8 kJ < 0 → Chiều thuận tỏa nhiệt.

Theo chiều nghịch: $\Delta _{r}H_{0}^{298}$ = 197,8 kJ > 0 → Chiều nghịch thu nhiệt.

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (chiều nghịch).

Câu hỏi 9 (trang 12) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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.

Trả lời:

Khi tăng áp suất của hỗn hợp, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm áp suất (hay chính là chiều giảm số mol khí), tức chiều thuận.

Vận dụng 2 (trang 13) SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: 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.

Lời giải: