Giải chi tiết Hóa học 11 Chân trời mới bài 1: Khái niệm về cân bằng hoá học

Giải bài 1: Khái niệm về cân bằng hoá học sách Hóa học 11 Chân trời Phần đáp án chuẩn, hướng dẫn giải chi tiết cho từng bài tập có trong chương trình học của sách giáo khoa. Hi vọng, các em học sinh hiểu và nắm vững kiến thức bài học.

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: 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?

Hướng dẫn trả lời

Các phản ứng này được gọi là phản ứng thuận nghịch

Người ta thường vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier để chuyển dịch cân bằng theo mong muốn nhằm thu được nhiều sản phẩm hơn và làm tăng hiệu suất phản ứng.

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

1. Tìm hiểu khái niệm phản ứng một chiều

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?

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng không xảy ra theo chiều ngược lại

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

Hướng dẫn trả lời:

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?

Hướng dẫn trả lời:

Phương trình hoá học của phản ứng xảy ra khi cho khí Cl₂ tác dụng với nước, sản phẩm sinh ra có khả năng phản ứng tạo để tạo thành các chất đầu.

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇌ HCl(aq) + HClO(aq)

Phản ứng thuận: Cl₂ + H₂O → HCl + HClO.

Phản ứng nghịch: HCl + HClO → Cl₂ + H₂O.

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?

Hướng dẫn trả lời:

Không thể viết: 2H2 + O2 ⇌ 2H2O được vì phản ứng (1) và phản ứng (2) không cùng điều kiện phản ứng

Tìm hiểu khái niệm trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch

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)

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)

Hướng dẫn trả lời:

Nồng độ của các chất N₂, H₂ giảm dần và NH₃ tăng dần đến một thời điểm nồng độ các chất không đổi theo thời gian (với điều kiện nhiệt độ không đổi)

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.

Hướng dẫn trả lời:

Do sau một khoảng thời gian nhất định, tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

Tìm hiểu khái niệm cân bằng của phản ứng thuận nghịch

Thảo luận 5. Sử dụng dữ liệu bảng 1.1, hãy tính giá trị của biểu thức $\frac{[N2O4]}{[NO2]^{2}}$ 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

Thí nghiệm	Nồng độ ban đầu, mol/L		Nồng độ ở trạng thái cân bằng, mol/L
Thí nghiệm	C_NO2	C_N2O4	[NO₂]	[N₂O₄]
1	0,0000	0,6700	0,0547	0,6430
2	0,0500	0,4460	0,0457	0,4480
3	0,0300	0,5000	0,0475	0,4910
4	0,0400	0,6000	0,0523	0,5940
5	0,2000	0,0000	0,0204	0,0898

Hướng dẫn trả lời:

Thí nghiệm	Nồng độ ban đầu, mol/L		Nồng độ ở trạng thái cân bằng, mol/L		$\frac{[N2O4]}{[NO2]^{2}}$
Thí nghiệm	CNO2	CN2O4	[NO2]	[N2O4]	$\frac{[N2O4]}{[NO2]^{2}}$
1	0,0000	0,6700	0,0547	0,6430	214,9000
2	0,0500	0,4460	0,0457	0,4480	214,5090
3	0,0300	0,5000	0,0475	0,4910	217,6177
4	0,0400	0,6000	0,0523	0,5940	217,1616
5	0,2000	0,0000	0,0204	0,0898	215,7824

Nhận xét: Giá trị $\frac{[N2O4]}{[NO2]^{2}}$ thu được từ các thí nghiệm khác nhau có giá trị gần bằng nhau (xấp xỉ)

Vận dụng 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.

Hướng dẫn trả lời:

Biểu thức tính tốc độ phản ứng thuận: v_t=k_t[A]^a[B]^b

Biểu thức tính tốc độ phản ứng nghịch: v_n=k_n[C]^c[D]^d

Ở trạng thái cân bằng vt= v_n ⇔ k_t[A]^a[B]^b = k_n[C]^c[D]^d

⇔ $\frac{kt}{kn}=\frac{[C]^{c}.[D]^{d}}{[A]^{a}.[B]^{b}}$

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.

Hướng dẫn trả lời:

$Kc=\frac{[SO_{3}]^{2}}{[SO_{2}^{2}].[O_{2}]}$

3. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HOÁ HỌC

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và chuyển dịch cân bằng

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).

Hướng dẫn trả lời:

Chuyển dịch cân bằng của phản ứng trong bình (2) Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thuận (giảm tác động giảm nhiệt độ).

Chuyển dịch cân bằng của phản ứng trong bình bình (3): Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng nghịch (giảm tác động tăng nhiệt độ).

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

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: Bình 1 làm phenolphthalein chuyển màu hồng --> có sinh ra NaOH --> phản ứng xảy ra theo chiều thuận

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

Hướng dẫn trả lời:

phản ứng xảy ra theo chiều thuận

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

Tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học

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

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng thuận tỏa nhiệt vì ΔH = −58kJ < 0

Phản ứng nghịch thu nhiệt vì ΔH =+58kJ > 0

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.

Hướng dẫn trả lời:

Khi làm lạnh bình (2) cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giảm tác động giảm nhiệt độ).

Khi làm nóng bình (3) cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt (giảm tác động tăng nhiệt độ).

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) ΔrH298 = 178,49 kJ

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

Hướng dẫn trả lời:

Để nâng cao hiệu suất phản ứng ảnh sản xuất vôi cần tăng nhiệt độ phản ứng vì ΔrH298 > 0 --> phản ứng thu nhiệt

Khi tăng nhiệt phản ứng --> phản ứng xảy ra theo chiều thuận ( chiều phản ứng thu nhiệt) --> nâng cao hiệu suất.

Tìm hiểu ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng hóa học

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

Hướng dẫn trả lời:

khi đẩy pit-tong ---> thể tích của hệ giảm ---> lúc này màu nâu đỏ nhạt dần ---> số mol khí của hệ giảm

khi kéo pit tong ra ---> thể tích hệ tăng ---> màu nâu đậm dần ---> 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?

Hướng dẫn trả lời:

Để tăng hiệu suất phản ứng tổng hợp NH3, phản ứng theo chiều thuận ta phải tăng áp suất.

Tìm hiểu ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng hóa học

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

Hướng dẫn trả lời:

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch khi thêm một lượng khí CO vào hệ cân bằng (3)

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.

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng xảy ra theo chiều thuận giải thích sự xâm thực đá vôi của nước mưa do Nước mưa khí quyển có chứa CO2 sẽ hòa tan rất mạnh các khoáng vật thuộc nhóm carbonate, sulfate, chuyển thành Calcium carbonate.

Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong các hang động do khi Calcium hydrogencarbonate hòa tan trong nước đi xuống theo các kẽ nứt, tới trần hang gặp chướng ngại vật, nhỏ giọt rơi xuống đáy hang. Do tiếp xúc với không khí trong hang có nhiệt độ cao nên xảy ra phản ứng nghịch chuyển thành Calcium carbonate, carbon dioxide và hơi nước. Calcium carbonate là chất khó hòa tan nên tách ra khỏi dung dịch và kết tủa lại nơi giọt nước rơi xuống, cứ thế tạo thành các nhũ đá trên trần hang có hình nón lộn ngược.

BÀI TẬP

Bài tập 1. Hằng số cân bằng KC 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.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án: B

Bài tập 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.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án: D

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

(1) CaCO_3(s) ⇌ CaO_(s)+ CO₂(g)

(2) Cu₂O_(s) + 1/2 O_2(g)⇌ 2CuO(s)

Hướng dẫn trả lời:

a, $Kc=\frac{[CaO][CO_{2}]}{[CaCo_{3}]}$

b, $Kc=\frac{[CuO]^{2}}{[Cu_{2}O].[O_{2}]^{1/2}}$

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

a) C(s) + H₂O(g) ⇌ CO(g) + H₂(g) ΔrH298 = 131 kJ

b) CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g) ΔrH298 = - 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

Hướng dẫn trả lời:

Các yếu tố	Phản ứng a xảy ra theo chiều	Phản ứng b xảy ra theo chiều
(1) Tăng nhiệt độ	Thuận	nghịch
(2) Thêm lượng hơi nước vào hệ	thuận	thuận
(3) Thêm khí H2 vào hệ	nghịch	nghịch
(4) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống	nghịch	không đổi
(5) Dùng chất xúc tác	không đổi	không đổi