Giải SGK Hóa 11 CTST Bài 1: Khái niệm về cân bằng hoá học có đáp án

- Các phản ứng này được gọi là phản ứng thuận nghịch.

- Để tăng hiệu suất của các phản ứng này cần vận dụng nguyên lí Le Chatelier: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.

Phản ứng điều chế oxygen từ KMnO$_{4}$:

2KMnO$_{4}$ $\overset{{t}^{o}}{\rightarrow }$ K$_{2}$MnO$_{4}$ + MnO$_{2}$ + O$_{2}$↑

Phản ứng này là phản ứng một chiều do đó phản ứng không xảy ra theo chiều ngược lại (tức K$_{2}$MnO$_{4}$, MnO$_{2}$ và O$_{2}$ không thể phản ứng được với nhau tạo lại KMnO$_{4}$).

Ví dụ một số phản ứng một chiều:

HCl + NaOH → NaCl + H$_{2}$O;

Fe + 2HCl → FeCl$_{2}$ + H$_{2}$↑;

Na$_{2}$CO$_{3}$ + BaCl$_{2}$ → BaCO$_{3}$↓ + 2NaCl.

Phản ứng Cl$_{2}$ tác dụng với nước:

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

Điểm khác giữa hai phản ứng:

- Phản ứng nhiệt phân thuốc tím là phản ứng một chiều;

- Phản ứng Cl$_{2}$ tác dụng với nước là phản ứng thuận nghịch.

Không thể viết 2H$_{2}$ + O$_{2}$ ⇌ 2H$_{2}$O do phản ứng (1) và (2) xảy ra ở hai điều kiện khác nhau.

Chú ý: Phản ứng thuận nghịch được xét trong cùng một điều kiện xác định.

- Ban đầu:

+ Nồng độ các chất tham gia (N$_{2}$, H$_{2}$) giảm dần theo thời gian.

+ Nồng độ chất sản phẩm (NH$_{3}$) tăng dần theo thời gian.

- Sau một thời gian nồng độ các chất tham gia và chất sản phẩm không thay đổi (giữ nguyên) theo thời gian (đồ thị được biểu diễn bằng đường thẳng).

- Ban đầu:

+ Tốc độ phản ứng thuận giảm dần;

+ Tốc độ phản ứng nghịch tăng dần;

- Đến thời điểm cân bằng: Tốc độ phản ứng thuận = tốc độ phản ứng nghịch.

- Thí nghiệm 1: $\frac{\text{[}{N}_{2}{O}_{4}\text{]}}{{\text{[}N{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}}=\frac{0{,}643}{0,{0547}_{}^{2}}=214{,}9$

- Thí nghiệm 2: $\frac{\text{[}{N}_{2}{O}_{4}\text{]}}{{\text{[}N{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}}=\frac{0{,}448}{0,{0457}_{}^{2}}=214{,}51$

- Thí nghiệm 3: $\frac{\text{[}{N}_{2}{O}_{4}\text{]}}{{\text{[}N{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}}=\frac{0{,}491}{0,{0475}^{2}}=217{,}62$

- Thí nghiệm 4: $\frac{\text{[}{N}_{2}{O}_{4}\text{]}}{{\text{[}N{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}}=\frac{0{,}594}{0,{0523}_{}^{2}}=217{,}16$

- Thí nghiệm 5: $\frac{\text{[}{N}_{2}{O}_{4}\text{]}}{{\text{[}N{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}}=\frac{0{,}0898}{0,{0204}_{}^{2}}=215{,}78$

Nhận xét: Các giá trị thu được là xấp xỉ nhau.

Tốc độ phản ứng thuận: ${v}_{t}=\ {k}_{t}.{C}_{A}^{a}.{C}_{B}^{b}$

Tốc độ phản ứng nghịch: ${v}_{n}=\ {k}_{n}.{C}_{C}^{c}.{C}_{D}^{d}$

Ở trạng thái cân bằng: v$_{t}$ = v$_{n}$ hay ${k}_{t}.{C}_{A}^{a}.{C}_{B}^{b}={k}_{n}.{C}_{C}^{c}.{C}_{D}^{d}$

$\Rightarrow \frac{{k}_{t}}{{k}_{n}}=\frac{{C}_{C}^{c}.{C}_{D}^{d}}{{C}_{A}^{a}.{C}_{B}^{b}}=\frac{{\text{[}C\text{]}}_{}^{c}.{\text{[}D\text{]}}_{}^{d}}{{\text{[}A]}_{}^{a}.{\text{[}B\text{]}}_{}^{b}}$

Hệ cân bằng: 2SO$_{2}$(g) + O$_{2}$(g) ⇌ 2SO$_{3}$(g)

Biểu thức tính hằng số cân bằng: K$_{c}$ $=\frac{{{\text{[SO}}_{3}\text{]}}_{}^{2}}{{\text{[}S{O}_{2}\text{]}}_{}^{2}.\text{[}{O}_{2}\text{]}}$.

- Hiện tượng:

+ Màu của hỗn hợp khí trong bình 2 nhạt dần.

+ Màu của hỗn hợp khí trong bình 3 đậm dần.

- Nhận xét:

2NO$_{2}$(g) ⇌ N$_{2}$O$_{4}$(g)

(màu nâu đỏ) (không màu)

+ Cân bằng trong bình 2 chuyển dịch theo chiều thuận;

+ Cân bằng trong bình 3 chuyển dịch theo chiều nghịch.

CH$_{3}$COONa(aq) + H$_{2}$O(l) ⇌ CH$_{3}$COOH(aq) + NaOH(aq)

Nhận xét: Khi đun nóng, phản ứng trong bình (1) chuyển dịch theo chiều thuận.

Phản ứng (1): 2NO$_{2}$(g) ⇌ N$_{2}$O$_{4}$(g) ${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=-58\ kJ$

(màu nâu đỏ) (không màu)

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}=-58\ kJ$< 0.

Vậy ở phản ứng (1), chiều thuận toả nhiệt, chiều nghịch thu nhiệt.

- Khi làm lạnh bình (2) cân bằng trong bình chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt.

- Khi làm nóng bình (3) cân bằng trong bình chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt.

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}$= 178,49 kJ > 0. Phản ứng thuận thu nhiệt.

Để nâng cao hiệu suất phản ứng sản xuất vôi, cần nâng cao nhiệt độ (thực tế cho thấy nâng nhiệt độ khoảng 1000 $^{o}$C) khi đó cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt, tức chiều thuận, làm tăng hiệu suất phản ứng.

Ngoài ra, phản ứng nung vôi cần được cung cấp nhiệt liên tục trong suốt quá trình phản ứng.

2NO$_{2}$(g) ⇌ N$_{2}$O$_{4}$(g) (2)

(màu nâu đỏ) (không màu)

- Khi đẩy pit – tông, thể tích của hệ giảm, màu nâu đỏ nhạt dần, khi đó cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, làm giảm số mol khí.

- Khi kéo pit – tông, thể tích của hệ tăng, màu nâu đỏ đậm dần, khi đó cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, làm tăng số mol khí.

Phản ứng tổng hợp ammonia:

N$_{2}$(g) + 3H$_{2}$(g) $\overset{{t}^{o},xt,p}{⇌}$ 2NH$_{3}$(g)

Để thu được NH$_{3}$ với hiệu suất cao, cần điều chỉnh áp suất như thế nào?

Hệ cân bằng (3): C(s) + CO$_{2}$(g) ⇌ 2CO(g)

Khi thêm một lượng khí CO vào hệ cân bằng (3) cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm CO hay chiều nghịch.

- Nước mưa có hoà tan CO$_{2}$ bào mòn đá vôi (phản ứng xâm thực của nước mưa vào đá vôi): CaCO$_{3}$(s) + H$_{2}$O(l) + CO$_{2}$(aq) → Ca(HCO$_{3}$)$_{2}$(aq).

- Sau đó Ca(HCO$_{3}$)$_{2}$ chảy nhỏ giọt từ trần hang động, tại đó chúng bị phân huỷ dần tạo thành thạch nhũ:

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

Đáp án đúng là: B

Trong phản ứng thuận nghịch, hằng số cân bằng K$_{C}$ của phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Đáp án đúng là: D

Chất xúc tác không làm thay đổi nồng độ các chất trong hệ cân bằng và cũng không làm thay đổi hằng số cân bằng nên không làm chuyển dịch cân bằng.

Chú ý: Chất rắn không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng.

a) ${K}_{c}=\text{[}C{O}_{2}\text{]}.$

b) ${K}_{c}=\frac{1}{{\text{[}{O}_{2}\text{]}}_{}^{\frac{1}{2}}}$

a) C(s) + H$_{2}$O(g) ⇌ CO(g) + H$_{2}$(g) ${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}$ = 131 kJ

(1) Tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt tức chiều thuận.

(2) Thêm một lượng hơi nước vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm lượng hơi nước tức chiều thuận.

(3) Thêm khí H$_{2}$ vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm lượng H$_{2}$ tức chiều nghịch.

(4) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí thức chiều nghịch.

(5) Dùng chất xúc tác không làm cân bằng chuyển dịch.

b) CO(g) + H$_{2}$O(g) ⇌ CO$_{2}$(g) + H$_{2}$(g) ${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}$ = -41 kJ

(1) Tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt tức chiều nghịch.

(2) Thêm một lượng hơi nước vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm lượng hơi nước tức chiều thuận.

(3) Thêm khí H$_{2}$ vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo làm giảm lượng H$_{2}$ tức chiều nghịch.

(4) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống không làm cân bằng chuyển dịch do hệ cân bằng có tổng hệ số tỉ lượng của các chất khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau.

(5) Dùng chất xúc tác không làm cân bằng chuyển dịch.

Áp dụng công thức:

${K}_{C}=\frac{\text{[}CO].\text{[}C{l}_{2}\text{]}}{\text{[}COC{l}_{2}\text{]}}\Rightarrow \text{[}COC{l}_{2}\text{]}=\frac{\text{[}CO].\text{[}C{l}_{2}\text{]}}{{K}_{c}}=\frac{0{,}15.0{,}15}{8,{2.10}_{}^{-2}}=0{,}274M.$