1.1. Phản ứng một chiều, Phản ứng thuận nghịch, Cân bằng hóa học
a. Phản ứng một chiều
Là phản ứng xảy ra theo chiều xác định từ trái sang phải [dùng 1 mũi tên chỉ chiều phản ứng]
Ví dụ: KClO3 → KCl + O2
b. Phản ứng thuận nghịch
Là phản ứng xảy ra 2 chiều trái ngược nhau [dùng mũi tên 2 chiều chỉ phản ứng] [cùng điều kiện]
Ví dụ: Cl2 + H2O ⇔ HCl + HClO
c. Cân bằng hóa học
Tốc độ phản ứng xảy ra chiều [1] [thuận]: Vt
Tốc độ phản ứng xảy ra chiều [2] [nghịch]: Vn
Đến thời điểm Vt = Vn: cân bằng hoá học
Cân bằng hóa học là cân bằng động.
⇒ Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
1.2. Sự chuyển dịch cân bằng
a. Thí nghiệm chuyển dịch cân bằng giữa NO2 và N2O4
b. Định nghĩa
Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động cùa các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.
Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ-sa-tơ-li-ê: 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 bên ngoài đó.
a. Ảnh hưởng của nồng độ
Thí nghiệm: C + CO2 ⇔ 2CO
Khi tăng nồng độ của CO2 → Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận [nhằm làm giảm nồng độ CO2]
Khi giảm nồng độ của CO2 → Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch [nhằm làm tăng nồng độ CO2]
Kết luận: Khi tăng nồng độ của một chất cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ của chất đó và ngược lại.
b. Ảnh hưởng của áp suất
Thí nghiệm: N2O4 [không màu] ⇔ 2NO2 [màu nâu đỏ]
1 mol 2 mol
Khi tăng áp suất→Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch [nhằm làm giảm áp suất tức làm giảm số mol khí]
Khi giảm áp suất→Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận [nhằm làm tăng áp suất tức tăng số mol khí]
Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất [tức làm giảm số mol khí] và ngược lại.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Phản ứng thu nhiệt : ∆H >0 [làm nhiệt độ giảm]
Phản ứng tỏa nhiệt : ∆H
Thí nghiệm: N2O4 [k] ⇔ 2NO2 [k] ∆H >0
– Khi tăng nhiệt độ → Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận [chiều thu nhiệt nhằm làm giảm nhiệt độ].
– Khi giảm nhiệt độ → Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch [chiều tỏa nhiệt nhằm làm tăng nhiệt độ].
Kết luận:
– Khi tăng nhiệt độ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều thu nhiệt [nhằm làm giảm nhiệt độ].
– Khi giảm nhiệt độ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt [nhằm làm tăng nhiệt độ].
d. Vai trò của chất xúc tác
Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và nghịch với số lần bằng nhau nên không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.
1.4. Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học
Ví dụ 1: 2SO2 + O2 ⇔ 2SO3 ΔH
Để thu được nhiều SO3 phải:
Tăng nồng độ O2 bằng cách dùng dư không khí.
Nếu giảm nhiệt độ thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm do đó phải thực hiện ở nhiệt độ hợp lí là 450-5000C và dùng thêm chất xúc tác là V2O5
Ví dụ 2: N2 + 3H2 ⇔ 2NH3 ΔH
Để thu được nhiều NH3 phải:
Thực hiện ở áp suất cao.
Nếu giảm nhiệt độ thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm do đó phải thực hiện ở nhiệt độ hợp lí là 450-500oC và dùng thêm chất xúc tác là Fe, K2O và Al2O3.
2. Bài tập minh họa
2.1. Dạng 1: Lý thuyết về cân bằng hóa học
Bài 1: Phản ứng thuận nghịch là phản ứng
A. trong cùng điều kiện, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau.
B. có phương trình hoá học được biểu diễn bằng mũi tên một chiều.
C. chỉ xảy ra theo một chiều nhất định.
D. xảy ra giữa hai chất khí.
Hướng dẫn giải
Phản ứng thuận nghịch là phản ứng trong cùng điều kiện, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau.
Đáp án A
Bài 2: Cân bằng hoá học
A. là một trạng thái cân bằng động vì khi hệ đạt cân bằng hoá học, các phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra với tốc độ bằng nhau.
B. là một cân bằng tĩnh vì khi đó, các phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều dừng lại.
C. là một trạng thái cân bằng động vì khi hệ đạt cân bằng hoá học, các phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra nhưng với tốc độ không bằng nhau.
D. là một trạng thái cân bằng động vì khi hệ đạt cân bằng hoá học, phản ứng thuận dừng lại còn phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra.
Hướng dẫn giải
Định nghĩa cân bằng hóa học: là một trạng thái cân bằng động vì khi hệ đạt cân bằng hoá học, các phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra với tốc độ bằng nhau.
Đáp án A
Bài 3: Hằng số cân bằng của một phản ứng thuận nghịch phụ thuộc vào những yếu tố nào sau đây?
A. Nhiệt độ.
B. Chất xúc tác.
C. Áp suất.
D. Nồng độ các chất phản ứng.
Hướng dẫn giải
Hằng số cân bằng của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ không đổi, hằng số cân bằng được giữ nguyên và ngược lại.
Đáp án A
2.2. Dạng 2: Bài toán tính hằng số cân bằng
Bài 1: Một bình kín có thể tích là 0,5 lít chứa 0,5 mol H2 và 0,5 mol N2, ở nhiệt độ [toC], khi ở trạng thái cân bằng có 0,2 mol NH3 tạo thành. Hằng số cân bằng KC của phản ứng tổng hợp NH3 là :
A. 1,278.
B. 3,125.
C. 4,125.
D. 6,75.
Hướng dẫn giải
Nồng độ mol của H2 ban đầu là: 0,5 : 0,5 = 1M
Nồng độ mol của N2 ban đầu là: 0,5 : 0,5 = 1M
Nồng độ mol của NH3 sau phản ứng là: 0,2 : 0,5 = 0,4M
Ta có phương trình phản ứng:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Bđ 1 1
Pu 0,2 0,6 0,4
Spu 0,8 0,4 0,4
→ \[{K_C} = \frac{{{{\left[ {N{H_3}} \right]}^2}}}{{\left[ {{N_2}} \right].{{\left[ {{H_2}} \right]}^3}}} = \frac{{0,{4^2}}}{{0,8.0,{4^3}}} = 3,125\]
Đáp án B
Bài 2: Một bình phản ứng có dung tích không đổi, chứa hỗn hợp khí N2 và H2 với nồng độ tương ứng là 0,3M và 0,7M. Sau khi phản ứng tổng hợp NH3 đạt trạng thái cân bằng ở toC, H2 chiếm 50% thể tích hỗn hợp thu được. Hằng số cân bằng KC ở toC của phản ứng có giá trị là :
A. 3,125.
B. 0,500.
C. 0,609.
D. 2,500.
Hướng dẫn giải
Ta có phương trình:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Bđ 0,3 0,7
pư x 3x 2x
spư 0,3 –x 0,7 – 3x 2x
Theo đề bài sau phản ứng, lượng H2 chiếm 50% thể tích hỗn hợp thu được
→ \[\frac{{0,7 – 3x}}{{0,3 – x + 0,7 – 3x + 2x}} = \frac{1}{2}\].
→ x = 0,1
Sau phản ứng số mol của N2, H2, NH3 lần lượt là 0,2; 0,4; 0,2
→ K = \[\frac{{0,{2^2}}}{{0,2.0,{4^3}}} = 3,125\]
Đáp án A.
2.3. Dạng 3: Xác định nồng độ các chất trong phản ứng thuận nghịch
Bài 1: Người ta cho N2 và H2 vào trong bình kín dung tích không đổi và thực hiện phản ứng:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Sau một thời gian, nồng độ các chất trong bình như sau: [N2] = 2M ; [H2] = 3M ; [NH3] = 2M. Nồng độ mol/l của N2 và H2 ban đầu lần lượt là :
A. 3 và 6.
B. 2 và 3.
C. 4 và 8.
D. 2 và 4.
Hướng dẫn giải
Xét lượng N2, H2 tham gia phản ứng, thì ta có phương trình:
N2 + 3H2 → 2NH3 [1]
[1] CM N2 phản ứng = ½ CM NH3 sinh ra = 1M
[1] CM H2 = 3/2 CM NH3 sinh ra = 3M
↔ CM N2 ban đầu = 1 + 2 = 3M
CM H2 ban đầu = 3 + 3 = 6M
Đáp án A.
Bài 2: Cho phản ứng hóa học: CO [k] + Cl2 [k] ↔ COCl2 [k] KC = 4
Biết rằng ở toC nồng độ cân bằng của CO là 0,20 mol/l và của Cl2 là 0,30 mol/l. Nồng độ cân bằng của COCl2 ở toC là :
A. 0,024 [mol/l].
B. 0,24 [mol/l].
C. 2,400 [mol/l].
D. 0,0024 [mol/l].
Hướng dẫn giải
Từ phương trình hóa học
\[\begin{array}{*{20}{l}} {{K_C} = \frac{{\left[ {COC{l_2}} \right]}}{{\left[ {CO} \right].\left[ {C{l_2}} \right]}} = \frac{{\left[ {COC{l_2}} \right]}}{{0,2.0,3}} = 4}\\ { \to \left[ {COC{l_2}} \right] = 4.0,2.0,3 = 0,024M}
\end{array}\]