CHỦ ĐỀ 1. CÂN BẰNG HÓA HỌC

BÀI 1. MỞ ĐẦU VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

(17 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (5 câu)

Câu 1: Tại sao khi làm than để đun bếp người ta lại làm các lỗ rỗng (gọi là than tổ ong), hay khi cần đun bếp cho lửa cháy to thì chẻ nhỏ củi, trong khi cần cháy lâu, lửa nhỏ thì người ta lại dùng thanh củi lớn?

Giải:

Phản ứng cháy của than và củi là phản ứng của chất rắn (than, củi) với chất khí (oxygen trong không khí) là phản ứng dị thể. Nên để tăng tốc độ phản ứng cần tăng diện tích bề mặt. Để tăng khả năng cháy của than và củi người ta tăng diện tích bề mặt của than và củi, khi muốn thanh củi cháy chậm lại người ta dùng thanh củi to để giảm diện tích bề mặt.

Câu 2: Vì sao trong quá trình sản xuất gang, người ta lại dùng không khí nén, nóng thổi vào lò cao để đốt cháu than cốc?

Giải:

Phản ứng trong lò cao:

C + O_{2 (k)} → CO_2 (k)

C + CO_2 (k) → 2CO _(k)

FeO + CO _(k) → Fe + CO_2 (k)      ΔH> 0

Dùng không khí nén, nóng thổi vào lò cao để đốt cháy than cốc (trong sản xuất gang) giúp tăng nồng dộ khí oxi và tăng nhiệt độ để tăng tốc độ phản ứng thuận.

Câu 3: Tại sao khi nung đá vôi ở nhiệt độ cao ≈ 900 - 950^oC để sản xuất vôi sống, miệng lò lại hở?

Giải:

Phản ứng nung vôi: CaCO₃ → CaO + CO_2 (k)           ΔH> 0

Khi nung đá vôi ở nhiệt độ cao ≈ 900 - 950^oC để sản xuất vôi sống, yếu tố nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng hóa học. Miệng lò hở để giảm áp suất của khí CO₂ để chuyển dịch cân bằng.

Câu 4: Tại sao phải nghiền nguyên liệu trước khi đưa vào lò nung để sản xuất clanhke (trong sản xuất xi măng)?

Giải:

Nghiền nguyên liệu trước khi đưa vào lò nung để sản xuất clanhke (trong sản xuất xi măng) để tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu và nhiệt độ cao, giúp tăng tốc độ phản ứng.

Câu 5: Phản ứng hóa học tổng hợp amoniac là

N₂ + 3H₂ ⇋ 2NH₃            ΔH= -92KJ

Hãy giải thích tại sao người ta thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac ở khoảng 400^oC đến 500^oC, dưới áp suất cao (100 - 150atm, thực tế càng cao càng tốt) và dùng sắt hoạt hóa xúc tác.

Giải:

Phản ứng hóa học tổng hợp amoniac là

N₂ + 3H₂ ⇋ 2NH₃            ΔH= -92KJ

Đặc điểm của phản ứng tổng hợp NH₃ là sau phản ứng có sự giảm số mol so với ban đầu, phản ứng tỏa nhiệt. Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển sang chiều thuận, nên phản ứng thực hiện ở áp suất càng cao càng tốt. Do phản ứng tỏa nhiệt cho nên về nguyên tắc cân bằng sẽ chuyển sang chiều thuận khi giảm nhiệt độ, tuy nhiên khi nhiệt độ thấp thì tốc độ phản ứng lại chậm nên hiệu quả kinh tế thấp. Do đó, người ta dung hòa hai xu hướng trên ở nhiệt độ 400 – 450^oC. Chất xúc tác có mục đích tăng tốc độ của phản ứng.

2. THÔNG HIỂU (7 câu)

Câu 1: Xét cân bằng sau trong một bình kín

CaCO_{3 (rắn)} ⇋ CaO _(rắn) + CO_{2 (khí)}         ΔH=178kJ

Ở 820^oC hằng số cân bằng K_C = 4,28.10^-3.

1. a) Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt?
2. b) Khi phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, nếu biến đổi một trong những điều kiện sau đây thì hằng số cân bằng K_Cbiến đổi như thê nào? Giải thích.

      +) Giảm nhiệt độ của phản ứng xuống.

      +) Thêm khi CO₂ vào.

      +) Tăng dung tích của bình phản ứng lên.

      +) Lấy bớt một lượng CaCO₃ ra.

Giải:

CaCO_3(rắn) ⇋ CaO _(rắn) + CO_{2 (khí)}          ΔH=178kJ

1. a) Phản ứng thu nhiệt vì ΔH> 0
2. b) K_C= [CO₂]

+) Khi giảm nhiệt độ của phản ứng xuống thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt) để đến trạng thái cân bằng mới và ở trạng thái cân bằng mới này thì nồng độ CO₂ giảm ⇒ K_C giảm

+) Khi thêm khí CO₂ vào ⇒ Nồng độ CO₂ tăng ⇒ Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nhưng ở trạng thái cân bằng mới nồng độ CO₂ không thay đổi ⇒ K_C không đổi.

+) Khi tăng dung tích của bình phản ứng lên ⇒ Áp suất của hệ giảm (nồng độ CO₂ giảm) ⇒ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm tăng nồng độ CO₂ nhưng chỉ tăng đến khi nồng độ CO₂ trước khi dung tích của bình lên thì dừng lại và cân bằng thiết lập ⇒ K_C không đổi.

+) Lấy bớt một lượng CaCO₃ ra thì hệ cân bằng không chuyển dịch ⇒ K_C không đổi.

Câu 2: Cho cân bằng hóa học: 2NO₂ ⇋ N₂O₄ ΔH= -58,04kJ. Cân bằng sẽ chuyển dịch như thế nào khi

1. a) Tăng nhiệt độ, tăng áp suất.
2. b) Thêm xúc tác.

Giải:

2NO₂ ⇋ N₂O₄       ΔH = -58,04kJ

ΔH<0 ⇒ phản ứng tỏa nhiệt.

1. a) Khi tăng nhiệt độ, phản ứng thu nhiệt nên cân bằng được chuyển dịch sang trái.

Tăng áp suất, cân bằng được chuyển dịch sang phải để tạo thành số mol khí nhỏ hơn.

1. b) Khi thêm chất xúc tác, chỉ làm tăng tốc độ phản ứng chứ không chuyển dịch cân bằng.

Câu 3: Phản ứng phân hủy H₂O₂

H₂O₂ → H₂O +  O₂.

Kết quả thí nghiệm đo nồng độ H₂O₂ tại các thời điểm khác nhau được trình bày dưới bảng sau

Tính tốc độ phản ứng theo nồng độ H₂O₂ trong khoảng thời gian từ 3 giờ đến 6 giờ.

Tốcc độ phản ứng theo nồng độ H₂O₂ trong khoảng thời gian từ 3 giờ đến 6 giờ là

V_tb = -  = -  = -   0,069 (mol/(L.h))

Câu 4: Xét phản ứng của acetone và iodine

CH₃COCH₃ + I₂ ⇋ CH₃COCH₂I + HI

Phản ứng có hệ số nhiệt trong khoảng từ 30^oC đến 50^oC là 2,5. Ở 35^oC, phản ứng có tốc độ là 0,036 mol/(L.h). Tính tốc độ phản ứng ở 45^oC.

Ta có:

 =  ⇒  = 2,5

⇒  = 0,09 (mol/(L.h)).

Câu 5: Cho phương trình phản ứng

2A_(k) + B_(k) ⇋ 2X_(k) + 2Y_(k)

Người ta trộn 4 chất, mỗi chất 1 mol vào bình kín dung tích 2 lít (không đổi). Khi cân bằng, lượng chất X là 1,6 mol. Nồng độ B ở trạng thái cân bằng lần lượt là?

Giải:

Ban đầu có sẵn 1 mol X nên số mol X được tạo ra là 1,6 - 1 = 0,6 mol

2A_(k) + B_(k) ⇋ 2X_(k) + 2Y_(k)

Ban đầu       1           1         1          1 (mol)

Phản ứng               0,3     0,6          (mol)

Cân bằng               0,7      1,6          (mol)

⇒ [B] =  = 0,35M

Câu 6: Cho cân bằng N₂O₄ → 2NO₂. Cho 18,4 gam N₂O₄ vào bình chân không dung tích 5,9 lít ở 27^oC, khi đạt đến trạng thái cân bằng, áp suất là 1 atm. Hằng số cân bằng K_C ở nhiệt độ này là bao nhiêu?

Giải:

Ta có  = 0,2 mol

Gọi  phản ứng là x mol

Ở trạng thái cân bằng  =  =  = 0,24 mol

N₂O₄ → 2NO₂

Ban đầu:       0,2          0           mol

Phản ứng:      x              2x           mol

Cân bằng:      0,2-x        2x          mol

⇒  = 0,2 – x + 2x = 0,24

⇒ x = 0,04 mol

⇒ [NO₂] =  =   ; [N₂O₄] =  

⇒ K_C =  = 0,007

Câu 7: Trong bình kín dung tích 1 lít, người ta cho vào 5,6 gam khí CO và 5,4 gam hơi nước. Phản ứng xảy ra theo phương trình

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Ở 850^oC hằng số cân bằng của phản ứng trên là 1. Nồng độ mol của CO và H₂O khi đạt đến cân bằng lần lượt là bao nhiêu?

Giải:

Ban đầu: [CO] = 0,2M; [H₂O] = 0,3M

Gọi [CO]_pư = a (M)

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Ban đầu:       0,2     0,3         0         0      (M)

Phản ứng:     a         a            a         a      (M)

Cân bằng:     0,2-a   0,3-a     a         a       (M)

Tại cân bằng:

K_C =  =  = 1

⇒ a = 0,12

⇒  

3. VẬN DỤNG (3 câu)

Câu 1: Cho phản ứng thuận nghịch sau

H_2(k) + I_2(k) ⇋ 2HI_(k)

Nồng độ các chất lúc cân bằng ở nhiệt độ 430^oC như sau

[H₂ ]=[I₂]= 0,107M; [HI]= 0,768M

Tìm hằng số cân bằng K_C của phản ứng ở 430^oC

Giải:

Biếu thức tính hằng số cân bằng: K_C =

Thay các giá trị [HI]= 0,786M; [H₂]=[I₂]=0,107M

Vậy: K_C =  =  = 53,96

Câu 2: Nồng độ ban đầu của H₂ và I₂ đều là 0,03 mol/l. Khi đạt đến cân bằng, nồng độ của HI là 0,04 mol/l

1. a) Tính nồng độ cân bằng của H₂và I₂
2. b) Tính hằng số cân bằng K của phản ứng tổng hợp HI

Giải:

Nồng độ của H₂ và I₂ ban đầu đều là 0,03 mol/l. Chúng phản ứng với nhau theo

phương trình: H₂ + I₂ → 2HI

1. Lúc cân bằng nồng độ HI là 0,04 mol/l.

Như vậy đã có  = 0,02 mol/l H₂ phản ứng với 0,02 mol/l I₂

⇒ Nồng độ cân bằng của H₂ và I₂ là

[H₂] = [I₂] = 0,03 – 0,02 = 0,01 (mol/l)

1. b) Hằng số cân bằng K của phản ứng tổng hợp HI.
2. c) K_C=  =  =  = 16

Câu 3: Trong một bình kín có dung tích không đổi, người ta thực hiện phản ứng

N₂ + 3H₂ ⇋ 2NH₃

Ở nhiệt độ thí nghiệm, khi phản ứng đạt tới cân bằng, ta có P_N2= 0,38atm, P_H2= 0,4atm, P_NH3= 2atm.

1. Hãy tính Kp.
2. Hút bớt H₂ra khỏi bình một lượng cho đến khi áp suất riêng phần cửa N₂ở trạng thái cân bằng mới là 0,45atm thì dừng lại. Tính áp suất riêng phần của H₂ và NH₃ ở trạng thái cân bằng mới, biết rằng nhiệt độ của phản ứng không đổi.

Giải:

Cân bằng: N₂ + 3H₂ ⇋ 2NH₃ (1)

1. Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng (1):

K_p =  =  = 164,5 (atm) ^-2

1. Khi hút bớt H_2,theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng thì cân bằng (1) sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chống lại sự giảm nồng độ hay áp suất riêng phần của H₂). Do đó áp suất của N₂tăng là: 0,45 – 0,38 = 0,07 (atm), do đó áp suất riêng của NH₃ giảm đi bằng 2 lần áp suất của N₂ tăng: 0,07×2=0,14 (atm)

Vậy áp suất riêng phần của NH₃ tại thời điểm cân bằng mới là:

2 – 0,14 = 1,86 (atm)

Áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho cân bằng (1):

K_p = K_p =  =  = 164,5 (atm) ^-2

⇒  = 0,36 atm

4. VẬN DỤNG CAO (2 câu)

Câu 1: Cân bằng của phản ứng khử CO₂ bằng C: C_(r) + CO_{2 (k)} ⇋ 2CO_(k)

Xảy ra ở 1000K với hằng số cân bằng K_P =  = 10

1. a) Tìm hàm lượng khí CO trong hỗn hợp cân bằng, biết áp suất chung của hệ là 2,5atm.
2. b) Muốn thu được hỗn hợp khí có tỉ khối hơi so với H₂là 18 thì áp suất chung của hệ là bao nhiêu?

Giải

1. a) Ta có cân bằng C_(r)+ CO₂(k) ⇋ 2CO _(k) K_p

Ta có: P_CO +P_CO2 =2,5 và K_p =  = 10

⇒  

Trong hệ cùng điều kiện nhiệt độ và thể tích

⇒ Tỉ lệ về áp suất bằng tỉ lệ về số mol hay tỉ lệ về thể tích riêng. Vậy hỗn hợp lúc cân bằng chứa: %CO =  .100% = 82,84%

 ⇒ CO₂ chiếm 100% - 82,84% = 17,16%

1. b) Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp CO và CO₂là

M = 18.2 = 36

Khi đó số mol CO và CO₂ bằng nhau nên ta có P_CO = P_CO2 = 0,5P

Suy ra K_p =  = 10

⇒ P = 20

Câu 2: Người ta tiến hành phản ứng: PC1₅ ⇋ PC1₃ + Cl₂ trong một bình kín có dung tích không đổi ở nhiệt độ xác định. Nếu cho vào bình 0,5 mol PCl₅ thì áp suất đầu là 1,5 atm. Khi cân bằng được thiết lập, áp suất đo được bằng 1,75 atm

1. a) Tính độ phân li và áp suất riêng của từng cấu tử.
2. b) Thiết lập biểu thức liên hệ giữa độ phân li và áp suất chung của hệ.

Giải:

Cân bằng: PCl₅           ⇋      PCl₃ + Cl₂    (1)

Ban đầu:   x

Phản ứng: αx                     αx     αx

Cân bằng: x(1 – α)             αx     αx

Tổng số mol hỗn hợp khí tại thời điểm cân bằng: n= x(1 + α)

Trong cùng điều kiện nhiệt độ, thể tích hỗn hợp phản ứng không đổi nên tỉ số mol bằng tỉ lệ áp suất.

Vậy ta có:  =  =  

⇒ α = 0,167

Áp suất riêng phần của PCl₅ :  = . P = 1,25 (atm)

Áp suất riêng phần của PCl₃ = áp suất riêng phần của Cl₂:

 =  = . P = 0,25 (atm)

1. b) Theo cân bằng (1) trong hệ có thể tích và nhiệt độ không đổi thì:

P_S = P_T.(1 + α)