Chủ đề 1: KHÁI NIỆM VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

BÀI 1: KHÁI NIỆM VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

I. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

1) Phản ứng 1 chiều:

- Trong điều kiện xác định, phản ứng xảy ra từ các chất tham gia phản ứng tạo thành chất sản phẩm và các chất sản phẩm không phản ứng trở lại hầu như không tạo thành chất đầu được gọi là phản ứng một chiều.

- Kí hiệu: là một mũi tên chỉ chiều từ trái sang phải " → ".

- Ví dụ: Fe (s) + 2HCl (aq) → FeCl₂ (aq) + H₂ (g).

2) Phản ứng thuận nghịch:

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

- Kí hiệu là hai nửa mũi tên ngược chiều " ⇌ ".

- Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

- Trong thực tế, các phản ứng thuận nghịch có mặt ở khắp mọi nơi với trong cùng một điều kiện, các chất phản ứng tác dụng với nhau tạo thành chất sản phẩm (phản ứng thuận), đồng thời các chất sản phẩm lại tác dụng với nhau tạo thành chất phản ứng (phản ứng nghịch).

II. CÂN BẰNG HÓA HỌC

1) Trạng thái cân bằng:

Trong thí nghiệm trên, lúc đầu phản ứng thuận có tốc độ lớn hơn phản ứng nghịch vì nồng độ nitrogen iodide. 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 (Hình 1.1). Tại thời điểm này, số mol của các chất hydrogen, iodine, hydrogen iodide không thay đổi nữa. Đây là thời điểm phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng.

Hình 1.1. Sự biến thiên tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch theo thời gian

- Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái mà tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (\(v_t = v_n\)).

- Cân bằng hóa học là một cân bằng động vì phản ứng vẫn diễn ra theo 2 chiều nhưng với tốc độ bằng nhau nên ở trạng thái cân bằng nồng độ các chất không đổi.

- Ví dụ: Cho phản ứng thuận nghịch: \(H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)\)

+ Thời điểm ban đầu: \(v_t (max); v_n = 0\) và \({v_t}\) giảm dần, \({v_n}\) tăng dần

+ Sau 1 thời gian thì \({v_t} = {v_n} \Rightarrow {k_t}.{C_{{N_2}}}.C_{{H_2}}^3 = {k_n}.C_{N{H_3}}^2 \Rightarrow \dfrac{{{k_t}}}{{{k_n}}} = \dfrac{{C_{N{H_3}}^2}}{{{C_{{N_2}}}.C_{{H_2}}^3}}\)

2) Hằng số cân bằng:

a) Biểu thức của hằng số cân bằng:

- Cho phản ứng thuận nghịch: aA + bB ⇌ cC + dD

- Ở trạng thái cân bằng: \(K_c = \dfrac{[C]^c.[D]^d}{[A]^a.[B]^b}\)

[A], [B], [C], [D]: nồng độ mol của A, B, C, D

+ Thực nghiệm cho thấy: hằng số cân bằng Kc của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

+ Đối với phản ứng có chất rắn tham gia, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng. 

Ví dụ: \(C(s) + CO_2(g) ⇌ 2CO(g)\)     \(K_c = \dfrac{[CO]^2}{[CO_2]}\)

b) Ý nghĩa của hằng số cân bằng:

- Hằng số cân bằng Kc phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

- Kc càng lớn thì phản ứng thuận càng chiếm ưu thế, Kc càng nhỏ thì phản ứng nghịch càng chiếm ưu thế.

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

1) Ảnh hưởng của nhiệt độ:

- Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều (\(\Delta_rH_{298}^0 < 0\), phản ứng tỏa nhiệt).

- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều (\(\Delta_rH_{298}^0 > 0\), phản ứng thu nhiệt).

2) Ảnh hưởng của nồng độ:

- Khi tăng nồng độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ chất đó.

- Khi giảm nồng độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ chất đó.

(Lưu ý: Tăng hay giảm lượng chất rắn hoặc chất lỏng nguyên chất không ảnh hưởng)

3) Ảnh hưởng của áp suất:

- Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều có ít phân tử khí.

- Khi giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều có nhiều phân tử khí.

(Lưu ý: Đối với hệ phản ứng thuận nghịch mà tổng số mol khí ở phản ứng thuận bằng tổng số phân tử khí ở phản ứng nghịch, thì áp suất không ảnh hưởng đến chuyển dịch cân bằng.)

4. Vai trò của chất xúc tác:

- Chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.

- Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau.

- Khi chưa cân bằng thì chất xúc tác làm cho cân bằng thiết lập nhanh hơn.

-----------------------------------

Ví dụ 1. Phản ứng nào sau đây là phản ứng thuận nghịch?

A. 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

B. N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2NO(g)

C. CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

D. Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Ví dụ 2. 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 I₂.

Thí nghiệm 2: Thí nghiệm này bắt đầu bằng cách cho 2 mol HI vào bình. Nhận 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 HI.

Thực hiện yêu cầu sau:

a) Viết phương trình hóa 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.

Ví dụ 3. Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong các trường hợp sau:

a) Phản ứng xảy ra khi cho khí Cl₂ tác dụng với nước.

a) 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 hủy tạo ra CO₂ và CaCO₃ (phản ứng nghịch), hình thành các thạch nhũ, măng đá, cột đá.

Ví dụ 4. 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.

Ví dụ 5. 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 bày 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 các chất theo thời gian.

c) Viết biểu thức định luật tác dụng khối lượng cho phản ứng thuận và phản ứng nghịch, từ đó dự đoán sự thay đổi tốc độ của mỗi phản ứng theo thời gian (biết phản ứng này đều là phản ứng đơn giản).

d) Bắt đầu từ thời điểm nào thì số mol các chất trong bình không thay đổi nữa?

Ví dụ 6. 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.

Ví dụ 7. 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).

Ví dụ 8. Xét phản ứng thuận nghịch: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) ở nhiệt độ 445°C.

Thực hiện phản ứng trên ở trong ba thí nghiệm khác nhau với nồng độ ban đầu khác nhau. Số liệu về nồng độ các chất ở thời điểm ban đầu và ở thời điểm cân bằng của 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 Kc = [HI]²/[H₂][I₂]

Ví dụ 9. 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).

Ví dụ 10. Cho hai phản ứng thuận nghịch sau:

(1) H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

(2) ½H₂(g) + ½I₂(g) ⇌ HI(g)

a) Viết biểu thức tính hằng số cân bằng (Kc) của hai phản ứng trên và cho biết chúng có bằng nhau không?

b) Nếu hằng số cân bằng của phản ứng (1) bằng 64 thì hằng số cân bằng của phản ứng (2) bằng bao nhiêu xét ở cùng nhiệt độ?

Ví dụ 11. 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.

Ví dụ 12. Methanol (CH₃OH) là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa học. Dựa vào hằng số cân bằng của các phản ứng sau, hãy cho biết phản ứng thích hợp để điều chế CH₃OH. Giải thích.

(1) CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)                    Kc = 26.10⁴

(2) CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g)   Kc = 8,27.10⁻¹

Ví dụ 13. 

Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

\(\mathop {2N{O_2}\left( g \right)}\limits_{Mau{\text{ }}nau{\text{ d}}o} {\text{ }} \rightleftharpoons {\text{ }}\mathop {{N_2}{O_4}\left( g \right)}\limits_{Khong{\text{ }}mau} ,{\text{ }}\Delta H_{298}^0 < 0\)

Chuẩn bị: 3 ống nghiệm (1), (2), (3) chứa khí NO₂ (có màu giống nhau), 1 cốc nước đá, 1 cốc nước nóng (70 - 80°C).

+ Ống nghiệm 1: Dung để so sánh.

+ Ống nghiệm 2: Ngâm vào cốc nước đá.

+ Ống nghiệm 3: Ngâm vào cốc nước nóng.

Lưu ý: NO₂ là khí độc, chú ý nút kín các ống nghiệm.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của các ống nghiệm và hoàn thành bảng sau:

- Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

CH₃COONa + H₂O ⇌ CH₃COOH + NaOH     \(\Delta H_{298}^0 > 0\)

Chuẩn bị: dung dịch CH₃COONa 0,5M, phenolphthalein; cốc nước nóng, cốc nước đá, 3 ống nghiệm.

Tiến hành:

- Cho khoảng 10 mL dung dịch CH₃COONa 0,5 M vào cốc thủy tinh, thêm 1 – 2 giọt phenolphthalein, khuấy đều.

- Chia dung dịch thu được vào 3 ống nghiệm. Ống nghiệm (1) để so sánh, ống nghiệm (2) ngâm vào cốc nước đá, ống nghiệm (3) ngâm vào cốc nước nóng.

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

Ví dụ 14. Cho các cân bằng sau:

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)     ΔᵣH°₂₉₈ = +178 kJ

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)      ΔᵣH°₂₉₈ = -198 kJ

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

Ví dụ 15. Thí nghiệm: Ảnh hưởng của nồng độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

CH₃COONa + H₂O ⇌ CH₃COOH + NaOH

- Cho một vài giọt phenolphthalein vào dung dịch CH₃COONa, lắc đều, dung dịch có màu hồng nhạt.

- Chia dung dịch thu được vào ba ống nghiệm với thể tích gần bằng nhau.

+ Ống (1) để so sánh; ống (2) thêm vài tinh thể CH₃COONa; ống 3 thêm một vài giọt dung dịch CH₃COOH.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các ống nghiệm (Hình 1.4) và hoàn thành vào vở theo mẫu bảng sau:

Ví dụ 16. Ester là hợp chất hữu cơ đễ bay hơi, một số ester được dùng làm chất tạo mùi thơm cho các loại bánh, thực phẩm. Phản ứng điều chế ester là một phản ứng thuận nghịch:

Hãy cho biết cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào nếu

a) Tăng nồng độ của C₂H₅OH.

b) Giảm nồng độ của CH₃COOC₂H₅.

Ví dụ 17. 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) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Nếu tăng áp suất và giữ nguyên nhiệt độ, các cân bằng trên chuyển dịch theo chiều nào? Giải thích.

Ví dụ 18. Yếu tố nào sau đây luôn luôn không làm dịch chuyển cân bằng của hệ phản ứng?

A. Nhiệt độ.    B. Áp suất.    C. Nồng độ.    D. Chất xúc tác.

Ví dụ 19. Trong công nghiệp, khí hydrogen được điều chế như sau:

Cho hơi nước đi qua than nóng, thu được hỗn hợp khí CO và H₂ (gọi là khí than ướt):

C(s) + H₂O(g) ⇌ CO(g) + H₂(g)    ΔᵣH°₂₉₈ = 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)    ΔᵣH°₂₉₈ = -? 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.

Ví dụ 20. Nhũ đá được hình thành trong các hang động liên quan đến cân bằng sau đây:

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

Nếu nồng độ CO₂ hòa tan trong nước tăng lên thì có thuận lợi cho sự hình thành nhũ đá hay không? Giải thích.

Ví dụ 21. Khi hòa tan khí chlorine vào nước tạo thành dung dịch chlorine vào nước tạo thành dung dịch có màu vàng lục nhạt gọi là nước chlorine. Trong nước chlorine xảy ra cân bằng hóa học sau:

Cl₂ + H₂O ⇌ HClO + HCl

Acid HClO sinh ra không bền, dễ bị phân hủy theo phản ứng:

HClO → HCl + O

Nước chlorine sẽ nhạt màu dần theo thời gian, không bảo quản được lâu. Vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng hóa học, hãy giải thích hiện tượng trên.

Ví dụ 22. Trong cơ thể người, hemoglobin (Hb) kết hợp với oxygen theo phản ứng thuận nghịch được biểu diễn đơn giản như sau: Hb + O₂ ⇌ HbO₂

Ở phổi, nồng độ oxygen lớn nhất 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.

Ví dụ 23. Ammonia (NH₃) được điều chế bằng phản ứng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Ở 1°C, nồng độ các chất tại thời điểm cân bằng là: [H₂] = 0,14 M; [N₂] = 0,45 M; [NH₃] = 0,62 M.

Tính hằng số cân bằng Kc của phản ứng trên tại 1°C.

Ví dụ 24. Cho phản ứng sau:

COCl₂(g) ⇌ CO(g) + Cl₂(g)    Kc = 8,2·10⁻² (900K)

Ở trạng thái cân bằng, nếu nồng độ CO và Cl₂ đều bằng 0,15 M thì nồng độ của COCl₂ là bao nhiều?

Ví dụ 25. Sulfur trioxide được tạo thành bằng cách oxi hóa sulfur dioxide bằng oxygen hoặc lượng dư không khí ở nhiệt độ 450°C - 500°C, chất xúc tác vanadium (V)oxide (V₂O₅) theo phương trình hóa học:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)    ΔᵣH°₂₉₈ = -198,4kJ

Nồng độ ban đầu của SO₂ và O₂ tương ứng là 4M và 2M. Tính hằng số cân bằng của phản ứng, biết rằng khi đạt trạng thái cân bằng đã có 80% SO₂ đã phản ứng.

Ví dụ 26. Cho 0,4 mol SO₂ và 0,6 mol O₂ vào một bình dung tích 1 lít được giữ ở một nhiệt độ không đổi. Phản ứng trong bình xảy ra như sau: 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, lượng SO₃ trong bình là 0,3 mol. Tính hằng số cân bằng Kc của phản ứng tổng hợp SO₃ ở nhiệt độ trên.

Ví dụ 27. Trong công nghiệp, hydrogen được sản xuất theo phản ứng sau đây:

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 cân 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 và H₂O có nồng độ bằng nhau và bằng xM. Xác định x, biết nồng độ của H₂ ở trạng thái cân bằng là 0,6 M.

Ví dụ 28. Một bình phản ứng có dung tích không đổi, chứa hỗn hợp khí N₂ và H₂ với nồng độ tương ứng là 0,3 M và 0,7 M. Sau khi phản ứng tổng hợp NH₃ đạt trạng thái cân bằng ở t°C, H₂ chiếm 50% thể tích hỗn hợp thu được. Hằng số cân bằng Kc ở t°C của phản ứng có giá trị là