Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng hóa học
|
I. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC 1. Phản ứng một chiều - Là phản ứng chỉ xảy ra một chiều từ trái sang phải. $2\,KClO_3 \,\,\, {\overset{MnO_2\,,\,t^{\,o}}{\longrightarrow}} \,\, 2\,KCl \,\,+\,\, 3\,O_2$ - Trong phương trình hóa học của phản ứng một chiều, người ta dùng một mũi tên chỉ chiều phản ứng. 2. Phản ứng thuận nghịch - Là những phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau trong cùng điều kiện. $Cl_2 \,\,+\,\, H_2O \,\,\, \underset{phản\,\,ứng\,\,nghịch}{\overset{phản\,\,ứng\,\,thuận}{\rightleftharpoons}} \,\,\, HCl \,\,+\,\, HClO$ - Trong phương trình hóa học của phản ứng thuận nghịch, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều nhau. 3. Cân bằng hóa học $\bullet \,$ Xét phản ứng thuận nghịch sau: $H_2\,(k) \,\,+\,\, I_2\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,HI\,(k)$ - Sự biến đổi của tốc độ phản ứng thuận $v_t$ và phản ứng nghịch $v_n$ được xác định theo đồ thị sau:
- Khi $v_t = v_n$ thì phản ứng đạt trạng thái cân bằng và được gọi là cân bằng hóa học. $\bullet \,$ Kết luận: - Định nghĩa: Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. - Cân bằng hóa học là một cân bằng động. - Ở trạng thái cân bằng, trong hệ luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các chất sản phẩm. II. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC 1. Thí nghiệm - Lắp bộ dụng cụ gồm 2 ống nghiệm có nhánh (a) và (b), được nối với nhau bằng một ống nhựa mềm, có khóa K như hình:  - Nạp đầy khí $NO_2$ vào cả hai ống nghiệm ở nhiệt độ thường. Nút kín cả hai ống, xét cân bằng: $\underbrace {2\,\mathop {NO_2}\limits_{}^{}\,(k)}_{\mathop {(màu\,\,nâu\,\,đỏ)}\limits_{}^{}} \,\,\rightleftharpoons \,\, \underbrace {\mathop {N_2O_4}\limits_{}^{}\,(k)}_{\mathop {(không\,\,màu)}\limits_{}^{}}$ - Màu của hỗn hợp khí trong cân bằng ở cả hai ống là như nhau. - Đóng khóa K, ngăn khí ở 2 ống khuếch tán vào nhau. - Ngâm ống (a) vào nước đá, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm $NO_2$ và tăng $N_2O_4$ nên màu của ống nghiệm (a) nhạt hơn lúc ban đầu. $\Longrightarrow \,$ Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hóa học. 2. 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 của các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng. III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC 1. Ảnh hưởng của nồng độ $\bullet \,$ Xét cân bằng sau: $C\,(r) \,\,+\,\, CO_2 \,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,CO\,(k)$ - Khi tăng $CO_2$ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều làm giảm $CO_2$). - Khi giảm $CO_2$ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều làm tăng $CO_2$). $\bullet \,$ Kết luận: - Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó. - Lưu ý: Chất rắn không làm ảnh hưởng đến cân bằng của hệ. 2. Ảnh hưởng của áp suất $\bullet \,$ Xét cân bằng sau: $N_2O_4\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,NO_2\,(k)$ - Khi tăng áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất. - Khi giảm áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất. $\bullet \,$ Kết luận: - Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó. - Lưu ý: Khi số mol khí ở 2 vế bằng nhau (hoặc phản ứng không có chất khí) thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng. Thí dụ: $H_2\,(k) \,\,+\,\, I_2\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,HI\,(k)$ $Fe_2O_3\,(r) \,\,+\,\, 3\,CO\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,Fe\,(r) \,\,+\,\, 3\,CO_2\,(k)$ 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ $\bullet \,$ Phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt: - Phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy thêm năng lượng để tạo sản phẩm. Kí hiệu $\Delta H>0$. - Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng mất bớt năng lượng. Kí hiệu $\Delta H<0$. $\bullet \,$ Ví dụ: Xét phản ứng sau: $\underbrace {\mathop {N_2O_4}\limits_{}^{}\,(k)}_{\mathop {(không\,\,màu)}\limits_{}^{}} \,\,\rightleftharpoons \,\, \underbrace {\mathop {NO_2}\limits_{}^{}\,(k)}_{\mathop {(nâu\,\,đỏ)}\limits_{}^{}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Delta H = +58\,kJ$ - Nhận xét: + Phản ứng thuận thu nhiệt vì $\Delta H = +58\,kJ>0$ + Phản ứng nghịch tỏa nhiệt vì $\Delta H = -58\,kJ<0$ $\Longrightarrow \,$ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt (giảm tác động tăng nhiệt độ). Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giảm tác động giảm nhiệt độ). $\bullet \,$ Kết luận: - 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. 4. Vai trò của chất xúc tác - Chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. - Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. - Khi chưa cân bằng thì chất xúc tác làm cho cân bằng thiết lập nhanh hơn. IV. Ý NGHĨA CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SẢN XUẤT HÓA HỌC Xem xét một số thí dụ sau để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học: $\bullet \,$ Thí dụ 1: $2\,SO_2\,(k) \,\,+\,\, O_2\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,SO_3\,(k) \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Delta H<0$ - Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và tăng nhiệt độ. Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. $\bullet \,$ Thí dụ 2: $N_2\,(k) \,\,+\,\, 3\,H_2\,(k) \,\,\rightleftharpoons \,\, 2\,NH_3\,(k) \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Delta H<0$ - Ở nhiệt độ thường, tốc độ phản ứng xảy ra rất chậm; nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch; do đó, phản ứng này phải được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp, áp suất cao và dùng chất xúc tác. Page 2SureLRN
Ở bài học trước các em đã biết nhiệt độ, nồng độ, áp suất và chất xúc tác, là một trong các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng hóa học. Trong bài này các em cũng sẽ thấy các yếu tố trên ảnh hưởng tới sự dịch chuyển cân bằng hóa học.
Vậy cân bằng hóa học là gì? Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) xét sự chuyển dịch cân bằng hóa học được phát biểu như thế nào? Các yếu tố nhiệt độ, nồng độ, áp suất và chất xúc tác ảnh hưởng tới sự dịch chuyển cân bằng hóa học ra sao? Cân bằng hóa học có ý nghĩa gì trong sản xuất hóa học? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây. I. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học Bạn đang xem: Cân bằng hóa học, Sự chuyển dịch cân bằng hóa học, Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) – Hóa 10 bài 38 1. Phản ứng một chiều – Phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo 1 chiều từ trái sang phải (dùng 1 mũi tên chỉ chiều phản ứng). * Ví dụ: 2. Phản ứng thuận nghịch – Phản ứng thuận nghịc là những phản ứng trong cùng điều kiện xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau (dùng mũi tên 2 chiều chỉ phản ứng). * Ví dụ: 3. Cân bằng hóa học – Xét phản ứng thuận nghịch: H2(k) + I2(k) – Sự biến đổi của tốc độ phản ứng thuận vt và phản ứng nghịch vn được xác định như đồ thị sau: – Định nghĩa: Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. – Cân bằng hóa học là một cân bằng động. – Ở trạng thái cân bằng, trong hệ luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các chất sản phẩm. II. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học– Định nghĩa: Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự dịch chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động từ các yếu tố bên ngoài lên cân bằng III. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học 1. Ảnh hưởng của nồng độ – Thí nghiệm: C(r) + CO2(k) – Khi tăng CO2 thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều làm giảm CO2). – Khi giảm CO2 thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều làm tăng CO2). • Kết luận: – Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó. – Lưu ý: Chất rắn không làm ảnh hưởng đến cân bằng của hệ. 2. Ảnh hưởng của áp suất – Thí nghiệm: N2O4(khí, không màu) – Khi P tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, hay chiều nghịch. – Khi P giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất, hay chiều thuận. • Kết luận: – Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó. – Lưu ý: Khi số mol khí ở 2 vế bằng nhau (hoặc phản ứng không có chất khí) thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ • Phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt: – Phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy thêm năng lượng để tạo sản phẩm. Kí hiệu ΔH>0. – Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng mất bớt năng lượng. Kí hiệu ΔH<0. • Thí nghiệm: N2O4(k) – Phản ứng thuận thu nhiệt vì ΔH =+58kJ > 0 – Phản ứng nghịch tỏa nhiệt vì ΔH = −58kJ < 0 • Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học: – Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt (giảm tác động tăng nhiệt độ). – Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giảm tác động giảm nhiệt độ). • Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê (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, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó 4. Vai trò của chất xúc tác – Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học (không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học). – Khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập hơn. – Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. IV. Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học – Xem xét một số ví dụ sau để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học: * Ví dụ 1: Sản suất axit sunfuric H2SO4 2SO2(k)+O2(k) – Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và tăng nhiệt độ. Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. * Ví dụ 2: Sản xuất amoniac NH3 N2(k)+3H2(k) – Ở nhiệt độ thường, tốc độ phản ứng xảy ra rất chậm; nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch; do đó, phản ứng này phải được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp, áp suất cao và dùng chất xúc tác. V. Bài tập về Cân bằng hóa học * Bài 1 trang 162 SGK Hóa 10: Ý nào sau đây là đúng: A. Bất cứ phản ứng nào cũng phải đạt đến trạng thái cân bằng hóa học. B. Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng thì phản ứng dừng lại. C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học. D. Ở trạng thái cân bằng, khối lượng các chất ở hai vế của phương trình phản ứng phải bằng nhau. ° Lời giải bài 1 trang 162 SGK Hóa 10: • Chọn đáp án: C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học. * Bài 2 trang 162 SGK Hóa 10: Hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín: 2SO2(k) + O2 (k) Yếu tố nào sau đây không làm nồng độ các chất trong hệ cân bằng biến đổi? A. Biến đổi nhiệt độ. B. Biến đổi áp suất. C. Sự có mặt chất xúc tác. D. Biến đổi dung tích của bình phản ứng. ° Lời giải bài 2 trang 162 SGK Hóa 10: • Chọn đáp án: C. Sự có mặt chất xúc tác. – Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. Do vậy, chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học hay không làm nồng độ các chất trong cân bằng biến đổi. * Bài 3 trang 163 SGK Hóa 10: Cân bằng hóa học là gì? Tại sao nói cân bằng hóa học là cân bằng động? ° Lời giải bài 3 trang 163 SGK Hóa 10: – Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. – Cân bằng hóa học là cân bằng động vì: Ở trạng thái cân bằng không phải là phản ứng dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng tốc độ bằng nhau (vthuận = vnghịch). – Có nghĩa là trong một đơn vị thời gian số mol chất phản ứng giảm đi bao nhiêu theo phản ứng thuận lại được tạo ra bấy nhiêu theo phản ứng nghịch. Do đó cân bằng hóa học là cân bằng động. * Bài 4 trang 163 SGK Hóa 10: Thế nào là sự chuyển dịch cân bằng? Những yếu tố nào ảnh hưởng đến cân bằng hóa học? Chất xúc tác có ảnh hưởng đến cân bằng hóa học không? Vì sao? ° Lời giải bài 4 trang 163 SGK Hóa 10: – Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ để chuyển sang một trạng thái cân bằng mới do các yếu tố bên ngoài tác động lên cân bằng. – Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nhiệt độ, nồng độ và áp suất. – Chất xúc tác không có ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, vì chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và cũng không làm biến đổi hằng số cân bằng. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên nó có tác dụng làm cho phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng nhanh chóng hơn. * Bài 5 trang 163 SGK Hóa 10: Phát biểu nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê và dựa vào cân bằng sau để minh họa: C(r) + CO2 ° Lời giải bài 5 trang 163 SGK Hóa 10: • Nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê: – Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động bên ngoài, như biến đổi nhiệt độ, nồng độ hay áp suất sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều giảm tác động bên ngoài đó. • Minh họa bằng cân bằng sau: C(r) + CO2(k) – Nồng độ: Khi ta cho thêm vào một lượng khí CO2 nồng độ trong hệ sẽ tăng lên làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (từ trái sang phải) tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ CO2. – Nhiệt độ: Khi ta tăng nhiệt độ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt. – Áp suất: Khi ta tăng áp suất của hệ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (từ phải sang trái) tức là cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol phân tử khí (giảm áp suất). * Bài 6 trang 163 SGK Hóa 10: Xét các hệ cân bằng sau trong một bình kín: C(r) + H2O(k) CO(k) + H2O(k) Các cân bằng trên chuyển dịch như thế nào khi biến đổi trong một các điều kiện sau? a) Tăng nhiệt độ. b) Thêm lượng hơi nước vào. c) Thêm khí H2 ra. d) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống. e) Dùng chất xúc tác. ° Lời giải bài 6 trang 163 SGK Hóa 10: – Cân bằng trong bình kín: C(r) + H2O(k) CO(k) + H2O(k) – Dựa vào nguyên lí chuyển dịch ta có bảng sau:
* Bài 7 trang 163 SGK Hóa 10: Clo phản ứng với nước theo phương trình hóa học sau: Cl2 + H2O Dưới tác dụng của ánh sáng, HClO bị phân hủy theo phản ứng: 2HClO Giải thích tại sao nước clo (dung dịch clo trong nước) không bảo quản được lâu. ° Lời giải bài 7 trang 163 SGK Hóa 10: – Nước Clo không bảo quản được lâu vì HClO không bền dưới ánh sáng nên bị phân hủy hoàn toàn tạo thành HCl và O2. Khi đó phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận do nồng độ HClO giảm, Cl2 tác dụng từ từ với H2O cho tới hết, HClO cũng bị phân hủy dần đến hết. * Bài 8 trang 163 SGK Hóa 10: Cho biết phản ứng sau: 4CuO(r) Có thể dùng những biện pháp gì để tăng hiệu suất chuyển hóa CuO thành Cu2O? ° Lời giải bài 8 trang 163 SGK Hóa 10: • Để tăng hiệu suất chuyển hóa CuO thành Cu2O tức là làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận có thể dùng 2 biện pháp sau: – Tăng nhiệt độ vì phản ứng thuận là phản ứng thu nhiệt. – Hút khí O2 ra (nhằm giảm áp suất). Hy vọng với bài viết về Cân bằng hóa học, Sự chuyển dịch cân bằng hóa học, Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) ở trên hữu ích cho các em. Mọi góp ý và thắc mắc các em vui lòng để lại nội dung dưới phần bình luận để HayHocHoi.Vn ghi nhận và hỗ trợ, chúc các em học tập tốt. Đăng bởi: THPT Sóc Trăng Chuyên mục: Giáo Dục |
