Bài 38 Cân bằng hóa học

Tóm tắt lý thuyết

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 \(\xrightarrow[t^{0}]{MnO_{2}}\) 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 \(\rightleftharpoons\) HCl + HClO

C) Cân bằng hóa học

Sự biến thiên tốc độ phản ứng thuận và nghịch

phản ứng thuận nghịch

Tốc độ phản ứng xảy ra chiều (1) (thuận): V_t
Tốc độ phản ứng xảy ra chiều (2) (nghịch): V_n
Đến thời điểm V_t = V_n: 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:
- 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:
- 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 <0 (làm nhiệt độ tăng)

Thí nghiệm:
- 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:

SO2+O2 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:

tổng hợp amoniac . 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 450-500⁰C và dùng thêm chất xúc tác là Fe, K₂O và Al₂O₃.

1.5. Tổng kết

Bảng tổng kết cân bằng hóa học

Bài tập minh họa

2.1. Bài tập cân bằng hóa học - Cơ bản

Bài 1:

Cho cân bằng hóa học sau: 2SO₂ (k) + O₂ (k) ⇄ 2SO₃ (k); ∆H < 0
Cho các biện pháp: (1) tăng nhiệt độ, (2) tăng áp suất chung của hệ phản ứng, (3) hạ nhiệt độ, (4) dùng thêm chất xúc tác V₂O₅, (5) giảm nồng độ SO3, (6) giảm áp suất chung của hệ phản ứng. Những biện pháp nào làm cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận?

Hướng dẫn:

2SO₂ (k) + O₂ (k) \(\rightleftarrows\) 2SO₃ (k), ∆H < 0
Phản ứng theo chiều thuận là tỏa nhiệt, để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận:
- Hạ nhiệt độ.
- Tăng áp suất.
- Tăng nồng độ của SO₂, O₂ hoặc giảm nồng độ SO₃.

Bài 2:

Cho các cân bằng hóa học sau:
(1) 2HI (k) \(\rightleftharpoons\) H₂ (k) + I₂ (k)
(2) CaCO₃ (r) \(\rightleftharpoons\) CaO (r) + CO₂ (k)
(3) FeO (r) + CO (k) \(\rightleftharpoons\) Fe (r) + CO₂ (k)
(4) 2SO₂ (k) + O₂ (k) \(\rightleftharpoons\) 2SO₃ (k)
Khi tăng áp suất của hệ, số cân bằng bị chuyển dịch theo chiều thuận là:

Hướng dẫn:

Khi tăng áp suất của hệ, cân bằng dịch chuyển theo chiều giảm số mol khí ⇒ Để phản ứng theo chiều thuận ⇒ số mol khí vế trái lớn hơn vế phải ⇒ cân bằng: (4)

Bài 3:

Cho các cân bằng:
H₂ (k) + I₂ (k) \(\rightleftarrows\) 2HI (k) (1)
2NO(k) + O₂ (k) \(\rightleftarrows\) 2NO₂ (k) (2)
CO(k) + Cl₂ (k) \(\rightleftarrows\) COCl₂ (k) (3)
CaCO₃ (r) \(\rightleftarrows\) CaO (r) + CO₂ (k) (4)
3Fe (r) + 4H₂O(k) \(\rightleftarrows\) Fe₃O₄ (r) + 4H₂ (k) (5)
Các cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi tăng áp suất là:

Hướng dẫn:

Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận khi tăng áp suất nếu tổng số mol khí sau phản ứng nhỏ hơn tổng số mol các chất khí phản ứng ban đầu.

2.2. Bài tập Cân bằng hóa học - Nâng cao

Bài 1:

Tốc độ của phản ứng A + B →C sẽ tăng lên bao nhiêu lần khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 25⁰C lên 55⁰C, biết rằng khi tăng nhiệt độ lên 10⁰C thì tốc độ phản ứng tăng lên 3 lần?

Hướng dẫn:

Ta có công thức tính tốc độ phản ứng Van’t Hoff như sau:
\(\gamma ^n=\frac{v_2}{v_1}\); trong đó \(n=\frac{t_2-t_1}{10}\); \(\gamma\) có giá trị từ 2 đến 4.
Áp dụng công thức trên ta có:
Khi tăng 100 thì v tăng 3 lần ⇒ \(\gamma\) = 3.
⇒ Khi tăng nhiệt độ từ 25⁰C lên 55⁰C ⇒ tốc độ phản ứng tăng 33 = 27 lần