Sách bài tập Hóa 11 Bài 1 (Kết nối tri thức): Khái niệm về cân bằng hoá học

Hằng số cân bằng của phản ứng $2{\text{SO}}_2( \text{g})+{\text{O}}_2( \text{g})\rightleftharpoons 2{\text{SO}}_3( \text{g})$ là:

$K_c=\frac{{{\text{[SO}}_3\text{]}}^2}{{\text{[S}{O}_2\text{]}}^2\text{[}{O}_2\text{]}}$

Thí nghiệm 1: K_c =$\frac{3,5^2}{1,5^2.1,25}=$ 4,355;

Thí nghiệm 2: K_c =$\frac{0,{26}^2}{0,{59}^2.0,045}=$ 4,315.

Nhận xét: Giá trị K_c ở hai thí nghiệm gần bằng nhau, mặc dù nồng độ các chất khác nhau.

Bài 1.11 trang 8 SBT Hóa 11: Polystyrene là một loại nhựa thông dụng được dùng để làm đường ống nước. Nguyên liệu để sản xuất polystyrene là styrene (C₆H₅CH₂CH₃). Styrene được điều chế từ phản ứng sau:

${\text{C}}_6{\text{H}}_5{\text{CH}}_2{\text{CH}}_3( \text{g})\rightleftharpoons {\text{C}}_6{\text{H}}_5\text{CH}={\text{CH}}_2( \text{g})+{\text{H}}_2( \text{g}){\Delta }_{\text{r}}{\text{H}}_{298}^{\text{o}}=123 \text{kJ}$

Cân bằng hoá học của phản ứng trên sẽ chuyển dịch theo chiều nào nếu:

a) Tăng áp suất của bình phản ứng.

b) Tăng nhiệt độ của phản ứng.

c) Tăng nồng độ của C₆H₅CH₂CH₃.

d) Thêm chất xúc tác.

e) Tách styrene ra khỏi bình phản ứng.

Lời giải:

$C_6{H}_{5}C{H}_{2}C{H}_3\left(g\right)\rightleftharpoons C_6{H}_{5}CH=C{H}_2\left(g\right)+H_2\left(g\right)$

a) Tăng áp suất của bình phản ứng: Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch là chiều làm giảm số mol khí.

b) Tăng nhiệt độ của phản ứng: Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tức chiều phản ứng thu nhiệt.

c) Tăng nồng độ của C₆H₅CH₂CH₃: Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, là chiều làm giảm nồng độ của C₆H₅CH₂CH_3.

_{d) Thêm chất xúc tác: Cân bằng không chuyển dịch. Chất xúc tác chỉ làm tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch, làm phản ứng nhanh đạt đến trạng thái cân bằng.}

_{e) Tách styrene ra khỏi bình phản ứng: Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, là chiều làm tăng nồng độ styrene.}

Bài 1.12 trang 8 SBT Hóa 11: Phosphorus trichloride (PCl₃) phản ứng với chlorine (Cl₂) tạo thành phosphorus pentachloride (PCl₅) theo phản ứng:

${\text{PCl}}_3( \text{g})+{\text{Cl}}_2( \text{g})\rightleftharpoons {\text{PCl}}_5( \text{g})$

Cho 0,75 mol PCl₃ và 0,75 mol Cl₂ vào bình kín dung tích 8 lít ở 227^oC. Tính nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng, biết giá trị hằng số cân bằng K_c ở 227^oC là 49.

Lời giải:

Bài 1.13 trang 8 SBT Hóa 11: Trong một bình kín xảy ra cân bằng hoá học sau:

${\text{H}}_2( \text{g})+{\text{I}}_2( \text{g})\rightleftharpoons 2\text{HI}\left(\text{g}\right)$

Cho 1 mol H₂ và 1 mol I₂ vào bình kín, dung tích 2 lít. Lượng HI tạo thành theo thời gian được biểu diễn bằng đồ thị sau:

a) Xác định nồng độ các chất ở thời điểm cân bằng.

b) Tính hằng số cân bằng K_C.

c) Tính hiệu suất của phản ứng.

Lời giải:

a) Số mol HI tại thời điểm cân bằng là 1,7 mol $\Rightarrow$ Số mol H₂ và I₂ phản ứng là 0,85 mol. Nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng:

[H₂] = [I₂] = $\frac{1-0,85}{2}$= 0,075 (mol/L)

[HI] = $\frac{1,7}{2}=0,85$ (mol/L)

b) $H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)\rightleftharpoons 2HI\left(g\right)$

Lượng chất ban đầu : 1 1 0 (mol)

Lượng chất phản ứng: 0,85 0,85 1,7 (mol)

Nồng độ tại cân bằng: $\frac{0,15}{2}$ $\frac{0,15}{2}$ $\frac{1,7}{2}$ (mol/L)

Hằng số cân bằng (Kc): $K_c=\frac{{\left(\frac{1,7}{2}\right)}^2}{\frac{0,15}{2}.\frac{0,15}{2}}\approx 128,444$

c) Hiệu suất phản ứng: H%= 85%

Bài 1.14 trang 9 SBT Hóa 11: Khi xăng cháy trong động cơ ô tô sẽ tạo ra nhiệt độ cao, lúc đó N₂ phản ứng với O₂ tạo thành NO:

${\text{N}}_2( \text{g})+{\text{O}}_2( \text{g})\rightleftharpoons 2\text{NO}\left(\text{g}\right)$

NO khi được giải phóng ra không khí nhanh chóng kết hợp với O₂ tạo thành NO₂ là một khí gây ô nhiễm môi trường. Ở 2000^oC, hằng số cân bằng K_c của phản ứng (1) là 0,01.

Nếu trong bình kín dung tích 1 lít có 4 mol N₂ và 0,1 mol O₂ thì ở 2000^oC lượng khí NO tạo thành là bao nhiêu (giả thiết NO chưa phản ứng với O₂ )?

Lời giải:

Phương trình phản ứng: N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)

Ban đầu: 4 0,1 0 (mol/L)

Cân bằng: $\frac{4-x}{1}$ $\frac{0,1-x}{1}$ 2x (mol/L)

Hằng số cân bằng $K_c=\frac{4x^2}{(0,1-x).(4-x)}=0,01\Rightarrow x\approx 0,027$

Vậy số mol khí NO tạo thành là: 2x.1 = 0,054 (mol) $\Rightarrow x\approx 0,027$

Bài 1.15 trang 9 SBT Hóa 11: Trong dung dịch muối CoCl₂ (màu hồng) tồn tại cân bằng hoá học sau:

${\text{[}Co{\left(H_{2}O\right)}_6\text{]}}^{2+}+4C{l}^{-}\rightleftharpoons {\text{[}CoC{l}_4\text{]}}^{2-}+6H_{2}O$ ${\Delta }_r{H}_{298}^0<0$

màu hồng màu xanh

Dự đoán sự biến đổi màu sắc của ống nghiệm đựng dung dịch CoCl₂ trong các trường hợp sau:

a) Thêm từ từ HCl đặc.

b) Ngâm ống nghiệm vào cốc nước nóng.

c) Thêm một vài giọt dung dịch AgNO₃.

Lời giải:

Xét cân bằng: ${\text{[}Co{\left(H_{2}O\right)}_6\text{]}}^{2+}+4C{l}^{-}\rightleftharpoons {\text{[}CoC{l}_4\text{]}}^{2-}+6H_{2}O$ ${\Delta }_r{H}_{298}^0<0$

màu hồng màu xanh

a) Thêm HCl: Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ [Cl^-], tức là chuyển dịch theo chiều thuận, dung dịch chuyển màu xanh.

b) Ngâm ống nghiệm vào cốc nước nóng: Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều thu nhiệt), dung dịch chuyển màu xanh.

c) Thêm một vài giọt dung dịch AgNO₃: Ag⁺ + Cl^- → AgCl (kết tủa trắng), nồng độ Cl^- giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, dung dịch màu hồng.

Lý thuyết Khái niệm về cân bằng hóa học

1. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

a. Phản ứng một chiều

- Phản ứng một chiều là phản ứng xảy ra theo một chiều trong cùng điều kiện. Phương trình hoá học của phản ứng một chiều được biểu diễn bằng một mũi tên chỉ chiều phản ứng.

Ví dụ: NaOH + HCl → NaCl + H₂O

b. Phản ứng thuận nghịch

- Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện.

- Phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau. Chiều từ trái sang phải là chiều phản ứng thuận, chiều từ phải sang trái là chiều phản ứng nghịch.

- Trong thực tế, các phản ứng thuận nghịch xảy ra không hoàn toàn bởi vì 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).

Ví dụ: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO

2. Cân bằng hóa học

a. Trạng thái cân bằng

Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

Cân bằng hoá học là một cân bằng động, các chất tham gia phản ứng liên tục phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm và các chất sản phẩm cũng liên tục phản ứng với nhau để tạo thành các chất đầu nhưng với tốc độ bằng nhau nên ở trạng thái cần bằng, nồng độ các chất không thay đổi.

b. Hằng số cân bằng

* Biểu thức của hằng số cân bằng

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát aA + bB ⇌ cC + dD:

Ở trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng (Kc) của phản ứng được xác định theo biểu thức:

Trong đó: [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol của các chất A, B, C, D ở trạng thái cân bằng. a, b, c, d là hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình hoá học của phản ứng. Thực nghiệm cho thấy hằng số cân bằng K_c của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng. 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.

* Ý nghĩa của hằng số cân bằng

Hằng số cân bằng K_c phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và nhiệt độ. Từ biểu thức xác định hằng số cân bằng K_c, ta có thể thấy rằng: K_c càng lớn thì phản ứng thuận càng chiếm ưu thế hơn và ngược lại. K_c càng nhỏ thi phản ứng nghịch càng chiếm ưu thế hơn.

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

a. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phân ứng thu nhiệt ( A_r, H^o₂₉₈> 0), nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ và ngược lại

b. Ảnh hưởng của nồng độ

Khi tăng nồng độ một chất trong phản ứng thì cân bằng hoá học bị phá vỡ và chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ của chất đó và ngược lại.

c. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động bên ngoài làm thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier có ý nghĩa rất lớn khi được vận dụng vào kĩ thuật công nghiệp hoá học. Người ta có thể thay đổi các điều kiện để chuyển dịch cân bằng theo chiều mong muốn, làm tăng hiệu suất của phản ứng

Sơ đồ tư duy Khái niệm về cân bằng hóa học