Lý thuyết, cách xác định và bài tập cân bằng phương trình hóa học

Bài tập cân bằng hóa học

A. Phương pháp & Ví dụ

1. Xác định nồng độ, áp suất tại thời điểm cân bằng

*Lý thuyết và Phương pháp giải

Dựa vào định luật tác dụng khối lượng cho các cân bằng thông qua mối quan hệ giữa nồng độ cân bằng với hằng số cân bằng nồng độ hay quan hệ giữa áp suất riêng phần tại thời điểm cân bằng với hằng số cân bằng áp suất.

- Trong dung dịch tồn tại cân bằng: aA + bB cC + dD

K_C =

- Phản ứng xảy ra trong pha khí: aA (k) + bB (k) cC (k) + dD (k)

Hằng số cân bằng tính theo nồng độ: K_C =

Hằng số cân bằng tính theo áp suất: K_P =

* Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Cân bằng của phản ứng khử CO₂ bằng C: C_(r) + CO_{2 (k)} ⇋ 2CO_(k)

Xảy ra ở 1000K với hằng số cân bằng K_P =

a) Tìm hàm lượng khí CO trong hỗn hợp cân bằng, biết áp suất chung của hệ là 2,5atm.

b) Muốn thu được hỗn hợp khí có tì khối hơi so với H₂ là 18 thì áp suất chung của hệ là bao nhiêu?

Lời giải:

a) Ta có cân bằng C_(r) + CO₂ (k) 2CO (k) K_p

Ta có:P_co+P_co2 =2,5 và K_p =

⇒ p_CO = 2,071 atm; P_co2= 0,429 atm

Trong hệ cùng điều kiện nhiệt độ và thể tích ⇒ tỉ lệ về áp suất bằng tỉ lệ về số mol hay tỉ lệ về thể tích riêng. Vậy hỗn hợp lúc cân bằng chứa:

và CO₂ chiếm 16,16%

b) Khi khối lượng mol trung bình của hỗn hợp CO và CO₂ là 18.2=36 thì số mol CO và CO₂ bằng nhau nên ta có P_co= P_co2= 0,5P

Suy ra K_p =

Ví dụ 2: Người ta tiến hành phản ứng: PC1₅ ⇋ PC1₃ + Cl₂ trong một bình kín có dung tích không đổi ở nhiệt độ xác định. Nếu cho vào bình 0,5 mol PCl₅ thì áp suất đầu là 1,5 atm. Khi cân bằng được thiết lập, áp suất đo được bằng 1,75 atm

a) Tính độ phân li và áp suất riêng của từng cấu tử.

b) Thiết lập biểu thức liên hệ giữa độ phân li và áp suất chung của hệ.

Lời giải:

Cân bằng: PCl₅ ⇋ PCl₃ + Cl₂ (1)

Ban đầu: x

Phản ứng: αx αx αx

Cân bằng: x(1 – α) αx αx

Tổng số mol hỗn hợp khí tại thời điểm cân bằng: n= x (1 + α)

Trong cùng điều kiện nhiệt độ, thể tích hỗn hợp phản ứng không đổi nên tỉ số mol bằng tỉ lệ áp suất.

Vậy ta có:

Áp suất riêng phần của PCl₅ :

Áp suất riêng phần của PCl₃ = áp suất riêng phần của Cl₂:

b) Theo cân bằng (1) trong hệ có thể tích và nhiệt độ không đổi thì:

P_S = P_T × (1 + α)

Ví dụ 3: Trong một bình kín có dung tích không đổi, người ta thực hiện phản ứng:

Ở nhiệt độ thí nghiệm, khi phản ứng đạt tới cân bằng, ta có:P_N2= 0,38atm, P_H2= 0,4atm, P_NH3= 2atm. Hãy tính Kp.

Hút bớt H₂ ra khỏi bình một lượng cho đến khi áp suất riêng phần cửa N₂ ở trạng thái cân bằng mới là 0,45atm thì dừng lại. Tính áp suất riêng phần của H₂ và NH₃ ở trạng thái cân bằng mới, biết rằng nhiệt độ của phản ứng không đổi.

Lời giải:

Cân bằng: N₂ + 3H₂ ⇋ 2NH₃ (1)

Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng (1):

K_p =

Khi hút bớt H₂ theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng thì cân bằng (1) sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chống lại sự giảm nồng độ hay áp suất riêng phần của H₂). Do đó áp suất của N₂ tăng là: 0,45 – 0,38 = 0,07 (atm), do đó áp suất riêng của NH₃ giảm đi bằng 2 lần áp suất của N₂ tăng: 0,07×2=0,14 (atm)

Vậy áp suất riêng phần của NH₃ tại thời điểm cân bằng mới là:

2 – 0,14 = 1,86 (atm)

Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng (1):

K_p =

2. Xác định sư chuyển dịch cân bằng

* Lý thuyết và Phương pháp giải

Dựa vào nguyên lí chuyển dịch cân bằng: “ Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động bên ngoài, như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều làm giảm tác đọng bên ngoài.”

* Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Xét cân bằng sau trong một bình kín:

CaCO_3(rắn) CaO(rắn) + CO_2(khí) ΔH=178kJ

Ở 820^oc hằng số cân bằng K_C = 4,28.10^-3.

a) Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt ?

b) Khi phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, nếu biến đổi một trong những điều kiện sau đây thì hằng số cân bằng K_C biến đổi như thê nào? Giải thích.

+) Giảm nhiệt độ của phản ứng xuống.

+) Thêm khi CO₂ vào.

+) Tăng dung tích của bình phản ứng lên.

+) Lấy bớt một lượng CaCO₃ ra.

Lời giải:

Phản ứng: CaCO_3(rắn) CaO₂ + CO_2(khí) ΔH=178kJ

a) Phản ứng thu nhiệt vì ΔH> 0

b) K_C = [CO₂]

+) Khi giảm nhiệt độ của phản ứng xuống thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt) để đến trạng thái cân bằng mới và ở trạng thái cân bằng mới này thì nồng độ CO₂ giảm ⇒ K_C giảm +) Khi thêm khí CO₂ vào ⇒ Nồng độ CO₂ tăng ⇒ Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nhưng ở trạng thái cân bằng mới nồng độ CO₂ không thay đổi K_C không đổi.

+) Khi tăng dung tích của bình phản ứng lên ⇒ Áp suất của hệ giảm (nồng độ CO₂ giảm) ⇒ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm tăng nồng độ CO₂ nhưng chỉ tăng đến khi nồng độ CO₂ trước khi dung tích của bình lên thì dừng lại và cân bằng thiết lập ⇒ K_C không đổi.

+) Lấy bớt một lượng CaCO₃ ra thì hệ cân bằng không chuyển dịch ⇒ K_C không đổi.

Ví dụ 2: Cho cân bằng hóa học: 2NO₂ ⇋ N₂O₄ ΔH= -58,04kJ. Cân bằng sẽ chuyển dịch như thế nào, giải thích, khi:

a) Tăng nhiệt độ, tăng áp suất.

b) Thêm xúc tác.

Lời giải:

Phản ứng hóa học: 2NO₂ ⇋ N₂O₄ ΔH = -58,04kJ ΔH<0 là phản ứng tỏa nhiệt.

a) Khi tăng nhiệt độ, phản ứng thu nhiệt nên cân bằng được chuyển dịch sang trái.

Tăng áp suất, cân bằng được chuyển dịch sang phải để tạo thành số moi khí nhỏ hơn.

b) Khi thêm chất xúc tác, chỉ làm tăng tốc độ phản ứng chứ không chuyển dịch cân bằng.

3. Xác định hằng số cân bằng

* Lý thuyết và Phương pháp giải

-Với phản ứng dạng : aA + bB cC + dD

Hằng số cân bằng: K =

* Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 . Cho biết phản ứng thuận nghịch sau:

H_2(k) + I_2(k) 2HI_(k)

Nồng độ các chất lúc cân bằng ở nhiệt độ 430^oC như sau:

[H₂ ]=[I₂]= 0,107M; [HI]= 0,768M

Tìm hằng số cân bằng K_C của phản ứng ở 430^oC

Lời giải:

Biếu thức tính hằng số cân bằng: K_C =

Thay các giá trị [HI]= 0,786M; [H₂]=[I₂]=0,107M

Vậy: K_C =

Ví dụ 2. Nồng độ ban đầu của H₂ và I₂ đều là 0,03 mol/l. Khi đạt đến cân bằng, nồng độ của HI là 0,04 mol/l

a) Tính nồng độ cân bằng của H₂ và I₂

b) Tính nồng độ cân bằng K của phản ứng tổng hợp HI

Lời giải:

Nồng độ của H₂ và I₂ ban đầu đề là 0,03 mol/l. Chúng phản ứng với nhau theo

phương trình:

H₂ + I₂ → 2HI

a) Lúc cân bằng: Nồng độ HI là 0,04mol/l. Như vậy đã có:

=0,02 mol/l phản ứng với 0,02 mol/l I₂

⇒Nồng độ cân bằng của H₂ và I₂ là:

[H₂]=[I₂]=0,03 – 0,02 =0,01 (mol/l)

b) Hằng số cân bằng K của phản ứng tổng hợp HI.

c) K_C =

B. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1. Cho phản ứng thuận nghịch sau:

2NaHCO₃ (r) ⇋ Na₂CO₃ (r) + CO₂(k) + H₂O (k) ΔH = 129kJ

Có thể dùng những biện pháp gì để chuyển hóa nhanh và hoàn toàn NaHCO₃ thành Na₂CO₃.

Lời giải:

Nhận thấy chiều thuận của phản ứng có ΔH = 129kJ > 0: thu nhiệt và có số mol khí tăng lên.

Vây biện pháp để cân bằng chuyển dịch hoàn toàn theo chiều thuận là

- Đun nóng (tăng nhiệt độ).

- Giảm áp suất bằng cách thực hiện phản ứng trong bình hở.

Câu 2. Cho phản ứng: 2SO₂ (k) + O₂ (k) ⇋ 2SO₃ (k) ΔH < 0

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi:

a) Tăng nồng độ SO₂

b) Giảm nồng độ O₂

c) Giảm áp suất

d) Tăng nhiệt độ.

Lời giải:

a) Khi tăng nồng độ SO₂ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận nghĩa là chiều làm giảm nồng độ SO₂.

b) Khi giảm nồng độ O₂ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nghĩa là chiều tạo ra O₂.

c) Khi giảm áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nghĩa là chiều tăng số mol khí.

d) Khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nghĩa là chiêu phản ứng thu nhiệt.

Câu 3. Sản xuất amoniac trong công nghiệp dựa trên phương trình hóa học sau:

2N₂(k) + 3H₂(k) ⇋ 2NH₃(k) ΔH = -92kJ

Cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch về phía tạo ra amoniac nhiều hơn khi thực hiện. những biện pháp kĩ thuật nào? Giải thích.

Lời giải:

Để thu được nhiều amoniac, hiệu quả kinh tế cao có thể dùng các biện pháp kĩ thuật sau đây:

- Tăng nồng độ N₂ và H₂.

- Tăng áp suất chung của hệ lên khoảng 100 atm, vì phản ứng thuận có sự giảm thể tích khí.

- Dùng nhiệt độ phản ứng thích hợp khoảng 400 - 450^oC và chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng tạo thành NH3. Chú ý rằng chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng.

- Tận dụng nhiệt của phản ứng sinh ra để sấy nóng hỗn hợp N₂ và H₂.

- Tách NH3 ra khỏi hỗn hợp cân bằng và sử dụng lại N₂ và H₂ còn dư.

Câu 4. Sự tăng áp suất ảnh hưởng như thế nào đến trạng thái cân bằng của các phản ứng hóa học sau:

a) 3O₂ (k) ⇋ 2O₃ (k)

b) H₂(k) + Br₂(k) ⇋ 2HBr(k)

c) N₂O₄(k) ⇋ 2NO₂(k)

Lời giải:

Để đánh giá tác động của áp suất cần so sánh sự biến đổi của thể tích khí trước và sau phản ứng. Nếu sau phản ứng có sự giảm thể tích thì áp suất tăng làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận và ngược lại, áp suất không có ảnh hưởng tới cân bằng của các phản ứng không thay đổi thể tích khí.

3O₂ (k) ⇋ 2O₃ (k)

Phản ứng (a) có sự giảm thể tích, cân bằng chuyển theo chiều thuận khi áp suất tăng.

H₂(k) + Br₂(k) ⇋ 2HBr(k)

Phản ứng (b) không có sự thay đổi thể tích, cân bằng không phụ thuộc vào áp suất.

c) N₂O₄(k) ⇋ 2NO₂(k)

Phản ứng (c) có sự tăng thể tích, cân bằng chuyển theo chiều nghịch khi áp suất tăng.

Câu 5. Cho phản ứng: CO (k) + Cl₂ (k) ⇋ COCl₂ (k) được thực hiện trong bình kín ở nhiệt độ không đổi, nồng độ ban đầu của CO và Cl₂ bằng nhau và bằng 0,4M.

a) Tính hằng số cân bằng của phản ứng biết rằng khi hệ đạt trạng thái cân bằng thì chỉ còn 50% lượng CO ban đầu.

b) Sau khi cân bằng được thiết lập ta thêm 0,1 mol CO vào 1 lít hỗn hợp. Tính nồng độ các chất lúc cân bằng mới được thiết lập.

Lời giải:

Câu 6. Cho cân bằng hóa học sau:

2SO₂(k) + O₂ (k) ⇋ 2SO₃ (k); ΔH < 0

Để cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch thì:

A. Tăng áp suất, giảm nhiệt độ, giảm nồng độ O₂

B. Giảm áp suất, tăng nhiệt độ, lấy SO₂ ra khỏi hệ

C. Lấy SO₃ ra liên tục

D. Không dùng xúc tác nữa.

Lời giải:

Đáp án: B

Câu 7. Phát biểu nào về chất xúc tác là không đúng?

A. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng

B. Chất xúc tác làm giảm thời gian đạt tới cân bằng của phản ứng

C. Chất xúc tác được hoàn nguyên sau phản ứng

D. Chất xúc làm cho phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận.

Lời giải:

Đáp án: D

Lưu ý: chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng.

Câu 8. Cho phản ứng thuận nghịch sau:

A₂(k) + B₂(k) ⇋ 2AB(k); ΔH > 0

Để cân bằng dịch chuyển sang chiều thuận thì:

A. Tăng nhiệt độ, giảm áp suất

B. Tăng nhiệt độ, giữ nguyên áp suất

C. Giảm nhiệt độ, tăng áp suất

D. Nhiệt độ và áp suất đều tăng

Lời giải:

Đáp án: B

- Phản ứng thu nhiệt theo chiều thuận

- Do số mol không thay đổi nên áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

C. Bài tập tự luyện

Câu 1: Cho cân bằng hoá học sau:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g) DH < 0.

Cho các biện pháp: (1) tăng nhiệt độ, (2) tăng áp suất chung của hệ phản ứng, (3) hạ nhiệt độ, (4) dùng thêm chất xúc tác V₂O₅, (5) giảm nồng độ SO₃, (6) giảm áp suất chung của hệ phản ứng.

Những biện pháp nào làm cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận?

A. (l), (2), (4), (5).

B. (2), (3), (5).

C. (2), (3), (4), (6).

D. (l), (2), (4).

Câu 2: Cho các cân bằng sau:

(I) 2HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g);

(II) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g);

(III) FeO(s) + CO(g) ⇌ Fe(s) + CO₂(g);

(IV) 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g).

Khi giảm áp suất của hệ, số cân bằng bị chuyển dịch theo chiều nghịch là

A. 3.

B. 4.

C. l.

D. 2.

Câu 3: Xét phản ứng thuận nghịch:

N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)

Hằng số cân bằng ở 2400°C là K_c = 35.10⁻⁴. Biết lúc cân bằng, nồng độ của N₂ và O₂ lần lượt bằng 5M và 7M trong bình kín có dung tích không đổi. Nồng độ mol/1 của NO lúc cân bằng là giá trị nào trong số các giá trị sau?

A. 0,1225M.

B. 0,35M.

C. 1,00M.

D. Đáp án khác.

Câu 4: Cho phản ứng sau:

H₂O(g) + CO(g) ⇌ H₂(g) + CO₂(g)

Ở 700°C hằng số cân bằng là K_c = 1,873. Biết rằng hỗn hợp đầu gồm 0,300 mol H₂O và 0,300 mol CO trong bình 10 lít ở 700°C. Nồng độ của H₂O và CO ở trạng thái cân bằng lần lượt là

A. 0,01267M.

B. 0,01733M.

C. 0,1267M.

D. 0,1733M.

Câu 5: Xét phản ứng:

H₂O(g) + CO(g) ⇌ H₂(g) + CO₂(g)

Biết rằng nếu thực hiện phản ứng giữa 1 mol CO và 1 mol H₂O thì ở trạng thái cân bằng có 2/3 mol CO₂ được sinh ra. Hằng số cân bằng của phản ứng là

A. 2.

B. 4.

C. 6.

D. 8.

Xem thêm các dạng bài tập Hóa học lớp 10 khác:

• Dạng 1: Bài tập Lý thuyết về tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học

• Dạng 2: Bài toán về tốc độ phản ứng