Giải SGK Hóa 11 Cánh diều Bài 1: Mở đầu về cân bằng hoá học có đáp an

Tại thời điểm hỗn hợp khí trong hai bình có thành phần như nhau, phản ứng vẫn tiếp diễn trong hai bình.

Tuy nhiên, nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng không đổi là do lượng mất đi và lượng sinh ra chất đó là bằng nhau.

Một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch:

+ Phản ứng của khí chlorine với nước:

Cl$_{2}$(aq) + H$_{2}$O(l) ⇌ HCl(aq) + HClO(aq).

+ Phản ứng hình thành hang động, thạch nhũ trong tự nhiên:

CaCO$_{3}$(s) + CO$_{2}$(aq) + H$_{2}$O(l) ⇌ Ca(HCO$_{3}$)$_{2}$(aq)

+ Phản ứng của hơi iodine với khí hydrogen:

H$_{2}$(g) + I$_{2}$(g) ⇌ 2HI(g)

Quá trình trộn khí hydrogen với hơi iodine được thể hiện qua phản ứng thuận nghịch:

H$_{2}$(g) + I$_{2}$(g) ⇌ 2HI(g)

a) Tại thời điểm ban đầu, ngay khi vừa mới trộn khí H$_{2}$ và hơi I$_{2}$ với nhau, chưa có HI tạo thành, nồng độ H$_{2}$ và I$_{2}$ là lớn nhất. Nồng độ của I$_{2}$ lớn nhất nên màu tím của hỗn hợp là đậm nhất.

Sau khi trộn khí H$_{2}$ và hơi I$_{2}$, phản ứng thuận diễn ra và nồng độ H$_{2}$ và I$_{2}$ giảm dần nên màu tím của hỗn hợp khí cũng nhạt dần.

b) Sau một khoảng thời gian, màu tím của hỗn hợp không thay đổi, chứng tỏ nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng không đổi (do lượng mất đi và lượng sinh ra chất đó là bằng nhau).

Đồ thị (a) thể hiện đúng Ví dụ 2. Do sau một khoảng thời gian nhất định, tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

Đường màu xanh trong đồ thị biểu diễn tốc độ phản ứng nghịch. Do sau khi trộn hai khí, phản ứng thuận diễn ra, nồng độ H$_{2}$ và I$_{2}$ giảm dần nên v$_{thuận}$ giảm dần. Trong khi đó, lượng HI sinh ra theo phản ứng thuận càng nhiều và nồng độ HI tăng nên v$_{nghịch}$ tăng dần.

a) N$_{2}$(g) + 3H$_{2}$(g) ⇌ 2NH$_{3}$(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: ${K}_{C}=\frac{{\text{[}N{H}_{3}\text{]}}^{2}}{\text{[}{N}_{2}\text{]}.{\text{[}{H}_{2}\text{]}}^{3}}$

b) CaCO$_{3}$(s) ⇌ CaO(s) + CO$_{2}$(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: K$_{C}$ = [CO$_{2}$]

H$_{2}$(g) + I$_{2}$(g) ⇌ 2HI(g) (*)

Biểu thức hằng số cân bằng cho phản ứng (*): ${K}_{C}=\frac{{\text{[}HI]}^{2}}{\text{[}{H}_{2}\text{]}.\text{[}{I}_{2}\text{]}}$

$\frac{1}{2}{H}_{2}(g)\ +\ \frac{1}{2}{I}_{2}(g)⇌HI(g)(**)$

Biểu thức hằng số cân bằng cho phản ứng (**): ${K}_{C}=\frac{\text{[}HI]}{{\text{[}{H}_{2}\text{]}}^{\frac{1}{2}}.{\text{[}{I}_{2}\text{]}}^{\frac{1}{2}}}$

Theo em, giá trị hai hằng số cân bằng này bằng nhau. Do giá trị K$_{C}$ chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất trong cân bằng và nhiệt độ.

a) Hằng số cân bằng K$_{C}$ của phản ứng ở 760 $^{o}$C là:

${K}_{C}=\frac{{\text{[}{H}_{2}\text{]}}_{}^{3}.\text{[}CO]}{\text{[}C{H}_{4}\text{]}.\text{[}{H}_{2}O]}=\frac{1,{15}_{}^{3}.0{,}126}{0{,}126.0{,}242}=6{,}285.$

b) Ta có: CH$_{4}$(g) + H$_{2}$O(g) ⇌ 3H$_{2}$(g) + CO(g)

Ban đầu: x x 0 0 M

Phản ứng: 0,2 0,2 0,6 0,2 M

Cân bằng: (x – 0,2) (x – 0,2) 0,6 0,2 M

Do giá trị K$_{C}$ chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất trong cân bằng và nhiệt độ. Nên:

${K}_{C}=\frac{{\text{[}{H}_{2}\text{]}}_{}^{3}.\text{[}CO]}{\text{[}C{H}_{4}\text{]}.\text{[}{H}_{2}O]}=\frac{0,{6}_{}^{3}.0{,}2}{(x-0{,}2).(x-0{,}2)}=6{,}285$

Þ 0,0432 = 6,285*x*$^{2}$ – 2,514*x* + 0,2514

Þ 6,285*x*$^{2}$ – 2,514*x* + 0,2082 = 0

Þ x = 0,283 (thoả mãn); x = 0,12 (loại do 0,12 < 0,2).

Biểu thức hằng số cân bằng của phản ứng: N$_{2}$(g) + 3H$_{2}$(g) ⇌ 2NH$_{3}$(g) là:

${K}_{C}=\frac{{\text{[}N{H}_{3}\text{]}}^{2}}{\text{[}{N}_{2}\text{]}.{\text{[}{H}_{2}\text{]}}^{3}}\Rightarrow \text{[}N{H}_{3}\text{]}=\sqrt{{K}_{C}.\text{[}{N}_{2}\text{]}.{\text{[}{H}_{2}\text{]}}^{3}}$

Vậy để thu được nhiều NH$_{3}$ hơn cần tăng nồng độ của N$_{2}$ và H$_{2}$.

- Tính nồng độ H$^{+}$ của dung dịch acid HA:

Ta có: HA ⇌ H$^{+}$ + A$^{-}$

Ban đầu: 0,5 0 0 M

Phản ứng: x x x M

Cân bằng: (0,5 – x) x x M

K$_{C(HA)}$ = 0,2 ⇒ $\frac{{x}^{2}}{(0{,}5-x)}=0{,}2$

Þ x$^{2}$ + 0,2x - 0,1 = 0

Þ x = 0,231 (thoả mãn).

- Tính nồng độ H$^{+}$ của dung dịch acid HB:

Ta có: HB ⇌ H$^{+}$ + B$^{-}$

Ban đầu: 0,5 0 0 M

Phản ứng: y y y M

Cân bằng: (0,5 – y) y y M

K$_{C(HB)}$ = 0,1 ⇒ $\frac{{y}^{2}}{(0{,}5-y)}=0{,}1$

Þ y$^{2}$ + 0,1y – 0,05 = 0

Þ y = 0,179 (thoả mãn).

Nhận xét:

Hằng số phân li acid càng lớn, acid càng mạnh.

Phản ứng (1) thích hợp để điều chế CH$_{3}$OH.

Do phản ứng (1) là phản ứng thuận nghịch có K$_{C}$ = 2,26.10$^{4}$ rất lớn so với 1 nên phản ứng thuận diễn ra thuận lợi hơn rất nhiều so với phản ứng nghịch; các chất ở trạng thái cân bằng chủ yếu là chất sản phẩm.

***Hiện tượng:* **

+ Ống nghiệm thứ hai (2) nhúng vào cốc nước nóng, hỗn hợp trong ống nghiệm có màu đậm dần lên.

+ Ống nghiệm thứ ba (3) nhúng vào cốc nước đá, hỗn hợp trong ống nghiệm trở nên nhạt màu hơn.

Giải thích:

2NO$_{2}$(g) ⇌ N$_{2}$O$_{4}$(g)

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=-58\ kJ\ <\ 0$⇒ Chiều thuận toả nhiệt.

+ Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (tức chiều phản ứng thu nhiệt) nên hỗn hợp có màu nâu đậm hơn.

+ Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (tức chiều phản ứng toả nhiệt) nên hỗn hợp trở nên nhạt màu hơn.

a) Dựa vào màu sắc của khí trong ống nghiệm để biết trạng thái cân bằng của phản ứng bị dịch chuyển khi thay đổi nhiệt độ.

b) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ.

Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nhiệt độ, tức là chiều phản ứng toả nhiệt, nghĩa là chiểu làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.

Hiện tượng:

Sau khoảng 2 phút, thấy ống nghiệm B có màu đậm hơn so với ống nghiệm A.

Kết quả thảo luận:

Khi nhiệt độ tăng lên, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=-197{,}8\ kJ<0$ Þ Chiều thuận toả nhiệt.

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm nhiệt độ, đó là chiều nghịch (chiều phản ứng thu nhiệt).

Phản ứng tổng hợp NH$_{3}$ từ N$_{2}$ và H$_{2}$:

N$_{2}$(g) + 3H$_{2}$(g) ⇌ 2NH$_{3}$(g)

Dự đoán: Phản ứng nên thực hiện ở áp suất cao, do ở áp suất cao, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm áp suất (hay chính là chiều giảm số mol khí), tức chiều thuận (tăng hiệu suất tổng hợp NH$_{3}$).

Thực tế, phản ứng tổng hợp NH$_{3}$ ở các nhà máy thường được thực hiện ở áp suất 200 – 300 atm.

Đáp án đúng là: C

Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng thì:

+ Tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

+ Nồng độ của tất cả các chất trong hỗn hợp phản ứng là không đổi.

+ Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn diễn ra.

Do dung tích bình là 1 lít nên giá trị nồng độ bằng giá trị của số mol.

Ta có: 2SO$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) ⇌ 2SO$_{3}$(g)

Ban đầu: 0,4 0,6 0 M

Phản ứng: 0,3 0,15 0,3 M

Cân bằng: 0,1 0,45 0,3 M

Hằng số cân bằng K$_{C}$ của phản ứng tổng hợp SO$_{3}$ là:

${K}_{C}=\frac{{\text{[}S{O}_{3}\text{]}}^{2}}{{\text{[}S{O}_{2}\text{]}}^{2}.{\text{[O}}_{2}\text{]}}=\frac{0,{3}^{2}}{0,{1}^{2}.0{,}45}=20.$