Giải chi tiết Hóa học 11 Kết nối mới bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học

MỞ ĐẦU

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?

Hướng dẫn 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

1. Phản ứng một chiều

2. 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°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 l2.

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 Hl.

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.

Hướng dẫn trả lời:

a) Phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2:

H2+I2⇌2HI (1)

2HI⇌H2+I2 (2)

b) Thí nghiệm 1 H2 tác dụng với I2 tạo ra HI, đồng thời HI lại phân hủy tạo thành H2 và I2; tương tự với thí nghiệm 2 HI phân hủy tạo thành H2 và I2, đồng thời H2 tác dụng với I2 tạo ra HI.

Vì thế 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.

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 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.

Hướng dẫn trả lời:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + H₂O + CO₂

Câu hỏi 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.

Hướng dẫn trả lời:

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

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

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.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án C.

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng luôn xảy ra không hoàn toàn.

II. CÂN BẰNG HÓA HỌC

1. Trạng thái cân bằng

Hoạt động nghiên cứu: 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:

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

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?

Hướng dẫn trả lời:

a) Đồ thị biểu diễn sự thay đổi số mol các chất theo thời gian

b) 

Số mol H2 và I2 giảm dần từ 1,0 → 0,2 mol trong khoảng thời gian từ t0 đến t4; số mol không đổi bằng 0,2 mol từ t4 trở đi.

Số mol HI tăng dần từ 0 → 1,6 mol trong khoảng thời gian từ t0 đến t4; số mol không đổi bằng 1,6 mol từ t4 trở đi.

c) 

Biểu thức định luật tác dụng khối lượng: đối với phản ứng thuận : v = k.[H2].[I2]; với phản ứng nghịch: v = k.[HI]2.

Theo thời gian, tốc độ phản ứng thuận giảm dần; tốc độ phản ứng nghịch tăng dần đến khi tốc độ hai phản ứng bằng nhau.

d) Bắt đầu từ thời điểm t4 thì số mol các chất trong hệ phản ứng không thay đổi nữa.

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.

Hướng dẫn trả lời:

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).

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án D.

2. Hằng số cân bằng

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

Thực hiện phản ứng trên trong bình kín, 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  ở mỗi thí nghiệm, nhận xét kết quả thu được.

Hướng dẫn 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 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)

Hướng dẫn trả lời:

a, 

b, 

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

Ở toC, 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 K_C của phản ứng trên tại toC.

Hướng dẫn trả lời:

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

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hoạt động thí nghiệm: 

Thí nghiệm 1: 

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

Thí nghiệm 2: 

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

Hướng dẫn trả lời:

Thí nghiệm 1:

Thí nghiệm 2:

2. Ảnh hưởng của nồng độ

Hoạt động nghiên cứu:

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:

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 8: Cho các cân bằng sau:

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)              ΔrH298 = 176 kJ

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)              ΔrH298 = -198 kJ

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

Hướng dẫn 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, ΔrHo298 > 0, chiều thuận là chiều thu nhiệt, vì vậy nếu tăng nhiệt độ, cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều thuận.

Nếu tăng nhiệt độ, cân bằng (2) chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là theo chiều thu nhiệt. Mặt khác ΔrHo298 < 0, chiều thuận là chiều toả nhiệt, vì vậy nếu tăng nhiệt độ cân bằng (2) chuyển dịch theo chiều nghịch.

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(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.

Hướng dẫn trả lời:

a) Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ C2H5OH, tức là theo chiều thuận.

b) Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ CH3COOC2H5, tức là theo chiều thuận.

Câu hỏi 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.

Hướng dẫn trả lời:

a) Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất hay chiều làm giảm số mol khí, tức là theo chiều thuận (từ 3 phân tử khi tạo thành 2 phần tử khí).

b) Khi tăng áp suất, cân bằng không chuyển dịch theo chiều nào vì số mol khí ở hai vế của phản ứng bằng nhau.

c) Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất hay chiều làm giảm số mol khí, tức là theo chiều nghịch.

d) Khi tăng áp suất, cân bằng không chuyển dịch theo chiều nào vì số mol khí ở hai vế của phản ứng bằng nhau.

3. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

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) ΔrH298 = 130 kJ (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) ΔrH298 = - 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.

Hướng dẫn trả lời:

a) Phản ứng (1) có ΔrH298 > 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 ΔrH298 < 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.

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.

Hướng dẫn trả lời:

a) Để oxygen lên não được nhiều hơn thì nồng độ của dạng HbO2 cần phải lớn. Để nồng độ HbO2 lớn cần tăng nồng độ oxygen trong phổi để cân bằng trên chuyển dịch sang phải. Muốn vậy cần hít sâu để nồng độ oxygen trong phổi cao hơn.

b) Nguyên nhân là 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.