Giải SGK Hóa học 11 (Cánh diều) Bài 1: Mở đầu về cân bằng hoá học

Giải Hóa học 11 Bài 1: Mở đầu về cân bằng hoá học

Mở đầu trang 6 Hoá học 11: Khí NO₂ (màu nâu đỏ) liên tục chuyển thành khí N₂O₄ (không màu) và ngược lại, tại một điều kiện xác định. Cũng tại điều kiện này, bình khí NO₂ hay bình khí N₂O₄ (Hình 1.1), sau những khoảng thời gian xác định đều chuyển thành hỗn hợp khí có thành phần như nhau và không đổi theo thời gian.

Tại thời điểm hỗn hợp khí trong hai bình có thành phần như nhau, có phản ứng diễn ra trong hai bình này không?

Lời giải:

Tại thời điểm hỗn hợp khí trong hai bình có thành phần như nhau, phản ứng vẫn tiếp diễn trong hai bình.

Tuy nhiên, nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng không đổi là do lượng mất đi và lượng sinh ra chất đó là bằng nhau.

I. Khái niệm phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng

Câu hỏi 1 trang 7 Hoá học 11: Hãy nêu một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch mà em biết.

Lời giải:

Một số ví dụ về phản ứng thuận nghịch:

+ Phản ứng của khí chlorine với nước:

Cl₂(aq) + H₂O(l) ⇌ HCl(aq) + HClO(aq).

+ Phản ứng hình thành hang động, thạch nhũ trong tự nhiên:

CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O(l) ⇌ Ca(HCO₃)₂(aq)

+ Phản ứng của hơi iodine với khí hydrogen:

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

Luyện tập 1 trang 7 Hoá học 11: Phản ứng thuận nghịch có xảy ra hoàn toàn được không? Vì sao?

Lời giải:

Phản ứng thuận nghịch xảy ra không hoàn toàn. Do phản ứng thuận nghịch xảy ra đồng thời sự chuyển chất phản ứng thành chất sản phẩm và sự chuyển chất sản phẩm thành chất phản ứng (ở cùng điều kiện).

Câu hỏi 2 trang 7 Hoá học 11: Xét ví dụ 2:

a) Giải thích vì sao màu tím của hỗn hợp khí lại nhạt dần so với lúc mới bắt đầu trộn hai khí H₂ và I₂ với nhau.

b) Sau một khoảng thời gian, màu tím của hỗn hợp không thay đổi, chứng tỏ nồng độ của chất nào không thay đổi?

Lời giải:

Quá trình trộn khí hydrogen với hơi iodine được thể hiện qua phản ứng thuận nghịch:

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

a) Tại thời điểm ban đầu, ngay khi vừa mới trộn khí H₂ và hơi I₂ với nhau, chưa có HI tạo thành, nồng độ H₂ và I₂ là lớn nhất. Nồng độ của I₂ lớn nhất nên màu tím của hỗn hợp là đậm nhất.

Sau khi trộn khí H₂ và hơi I₂, phản ứng thuận diễn ra và nồng độ H₂ và I₂ giảm dần nên màu tím của hỗn hợp khí cũng nhạt dần.

b) Sau một khoảng thời gian, màu tím của hỗn hợp không thay đổi, chứng tỏ nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng không đổi (do lượng mất đi và lượng sinh ra chất đó là bằng nhau).

Câu hỏi 3 trang 8 Hoá học 11: Cho hai đồ thị (a) và (b) dưới đây. Mỗi đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ của phản ứng thuận và tốc độ của phản ứng nghịch theo thời gian.

Hãy cho biết đồ thị nào thể hiện đúng Ví dụ 2. Đường màu xanh trong đồ thị đó biểu diễn tốc độ phản ứng thuận hay tốc độ phản ứng nghịch?

Lời giải:

Đồ thị (a) thể hiện đúng Ví dụ 2. Do sau một khoảng thời gian nhất định, tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

Đường màu xanh trong đồ thị biểu diễn tốc độ phản ứng nghịch. Do sau khi trộn hai khí, phản ứng thuận diễn ra, nồng độ H₂ và I₂ giảm dần nên v_thuận giảm dần. Trong khi đó, lượng HI sinh ra theo phản ứng thuận càng nhiều và nồng độ HI tăng nên v _nghịch tăng dần.

Câu hỏi 4 trang 8 Hoá học 11: Vì sao giá trị $\frac{k_t}{k_n}$ là một hằng số ở nhiệt độ xác định?

Lời giải:

k_t, k_n lần lượt là hằng số tốc độ phản ứng thuận, hằng số tốc độ phản ứng nghịch mà giá trị của k_t, k_n chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của các chất tham gia phản ứng, nên tại một nhiệt độ xác định giá trị $\frac{k_t}{k_n}$ là hằng số.

II. Biểu thức hằng số cân bằng và ý nghĩa

Câu hỏi 5 trang 9 Hoá học 11: Viết biểu thức hằng số cân bằng K_C cho phản ứng thuận nghịch:

a) N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

b) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Lời giải:

a) N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: $K_C=\frac{{\text{[}N{H}_3\text{]}}^2}{\text{[}{N}_2\text{]}.{\text{[}{H}_2\text{]}}^3}$

b) CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Biểu thức hằng số cân bằng: K_C = [CO₂]

Câu hỏi 6 trang 9 Hoá học 11: Viết biểu thức hằng số cân bằng K_C cho phản ứng (*), (**) dưới đây.

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)              (*)

$\frac{1}{2}{H}_2\left(g\right)+\frac{1}{2}{I}_2\left(g\right)\rightleftharpoons HI\left(g\right) \left(**\right)$

Theo em, giá trị hai hằng số cân bằng này có bằng nhau không?

Lời giải:

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)              (*)

Biểu thức hằng số cân bằng cho phản ứng (*): $K_C=\frac{{\text{[}HI]}^2}{\text{[}{H}_2\text{]}.\text{[}{I}_2\text{]}}$

$\frac{1}{2}{H}_2\left(g\right)+\frac{1}{2}{I}_2\left(g\right)\rightleftharpoons HI\left(g\right) \left(**\right)$

Biểu thức hằng số cân bằng cho phản ứng (**): $K_C=\frac{\text{[}HI]}{{\text{[}{H}_2\text{]}}^{\frac{1}{2}}.{\text{[}{I}_2\text{]}}^{\frac{1}{2}}}$

Theo em, giá trị hai hằng số cân bằng này bằng nhau. Do giá trị K_C chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất trong cân bằng và nhiệt độ.

Luyện tập 2 trang 9 Hoá học 11: Trong công nghiệp, halogen được sản xuất từ phản ứng:

CH₄(g) + H₂O(g) ⇌ 3H₂(g) + CO(g)

a) Tính hằng số cân bằng K_C của phản ứng trên ở 760 ^oC.

Biết ở nhiệt độ này, tất cả các chất đều ở thể khí và nồng độ mol của CH₄, H₂O, H₂ và CO ở trạng thái cân bằng lần lượt là 0,126 M; 0,242 M; 1,150 M và 0,126 M.

b*) Ở 760 ^oC, giả sử ban đầu chỉ có CH₄ và H₂O có nồng độ bằng nhau và bằng x M. Xác định x, biết nồng độ của H₂ ở trạng thái cân bằng là 0,6 M.

Lời giải:

a) Hằng số cân bằng K_C của phản ứng ở 760 ^oC là:

                                     $K_C=\frac{{\text{[}{H}_2\text{]}}_{}^3.\text{[}CO]}{\text{[}C{H}_4\text{]}.\text{[}{H}_{2}O]}=\frac{1,{15}_{}^3.0,126}{0,126.0,242}=6,285.$

b) Ta có:      CH₄(g) + H₂O(g)   ⇌      3H₂(g) + CO(g)

Ban đầu:      x                 x                  0                  0        M

Phản ứng:     0,2              0,2                0,6               0,2      M

Cân bằng: (x – 0,2)         (x – 0,2)        0,6               0,2     M

Do giá trị K_C chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất trong cân bằng và nhiệt độ. Nên:

$K_C=\frac{{\text{[}{H}_2\text{]}}_{}^3.\text{[}CO]}{\text{[}C{H}_4\text{]}.\text{[}{H}_{2}O]}=\frac{0,6_{}^3.0,2}{(x-0,2).(x-0,2)}=6,285$

⇒ 0,0432 = 6,285x² – 2,514x + 0,2514

⇒ 6,285x² – 2,514x + 0,2082 = 0

⇒ x = 0,283 (thoả mãn); x = 0,12 (loại do 0,12 < 0,2).

Vận dụng 1 trang 10 Hoá học 11: Hãy cho biết trong công nghiệp, để thu được nhiều NH₃ hơn thì cần tăng hay giảm nồng độ N₂ và H₂.

Lời giải:

Biểu thức hằng số cân bằng của phản ứng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) là:

$K_C=\frac{{\text{[}N{H}_3\text{]}}^2}{\text{[}{N}_2\text{]}.{\text{[}{H}_2\text{]}}^3}\Rightarrow \text{[}N{H}_3\text{]}=\sqrt{K_C.\text{[}{N}_2\text{]}.{\text{[}{H}_2\text{]}}^3}$

Vậy để thu được nhiều NH₃ hơn cần tăng nồng độ của N₂ và H₂.

Câu hỏi 7 trang 10 Hoá học 11: Hai acid HA và HB cùng nồng độ ban đầu là 0,5 M, phân li trong nước theo các cân bằng:

HA ⇌ H⁺ + A^-

HB ⇌ H⁺ + B^-

Với các hằng số cân bằng (hay gọi là hằng số phân li acid) tương ứng là K_C(HA) = 0,2 và K_C(HB) = 0,1. Tính nồng độ H⁺ của mỗi dung dịch acid. Rút ra kết luận về mối liên hệ giữa độ mạnh của acid với độ lớn của hằng số phân li acid. Biết rằng acid càng mạnh khi càng dễ tạo ra H⁺.

Lời giải:

- Tính nồng độ H⁺ của dung dịch acid HA:

Ta có:          HA    ⇌       H⁺ + A^-

Ban đầu:      0,5               0        0        M

Phản ứng:    x                  x        x        M

Cân bằng: (0,5 – x)          x        x        M

K_C(HA) = 0,2 ⇒$\frac{x^2}{(0,5-x)}=0,2$

⇒ x² + 0,2x - 0,1 = 0

⇒ x = 0,231 (thoả mãn).

- Tính nồng độ H⁺ của dung dịch acid HB:

Ta có:          HB     ⇌       H⁺ + B^-

Ban đầu:      0,5               0        0        M

Phản ứng:    y                  y        y        M

Cân bằng: (0,5 – y)          y        y        M

K_C(HB) = 0,1 ⇒$\frac{y^2}{(0,5-y)}=0,1$

⇒ y² + 0,1y – 0,05 = 0

⇒ y = 0,179 (thoả mãn).

Nhận xét:

Hằng số phân li acid càng lớn, acid càng mạnh.

Luyện tập 3 trang 11 Hoá học 11: Methanol (CH₃OH) là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hoá học. Dựa vào hằng số cân bằng của các phản ứng ở 25 ^oC, hãy lựa chọn phản ứng thích hợp để điều chế CH₃OH. Giải thích.

CO(g) + 2H₂(g) ⇌ CH₃OH(g)                       K_C = 2,26.10⁴        (1)

CO₂(g) + 3H₂(g) ⇌ CH₃OH(g) + H₂O(g)       K_C = 8,27.10^-1       (2)

Lời giải:

Phản ứng (1) thích hợp để điều chế CH₃OH.

Do phản ứng (1) là phản ứng thuận nghịch có K_C = 2,26.10⁴ rất lớn so với 1 nên phản ứng thuận diễn ra thuận lợi hơn rất nhiều so với phản ứng nghịch; các chất ở trạng thái cân bằng chủ yếu là chất sản phẩm.

III. Ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ và áp suất đến cân bằng hoá học

Thí nghiệm 1 trang 11 Hoá học 11: Chuẩn bị: Ba ống nghiệm (1), (2), (3) chứa NO₂ (có màu giống nhau), một cốc nước nóng (70 – 80 ^oC) và một cốc nước đá.

Tiến hành: Ống nghiệm thứ nhất (1) được để ở nhiệt độ phòng (khoảng 25 ^oC). Ống nghiệm thứ hai (2) được nhúng vào cốc nước nóng. Ống nghiệm thứ ba (3) được nhúng vào cốc nước đá.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng và giải thích.

Biết NO₂ có thể chuyển hoá thành N₂O₄ theo phản ứng thuận và ngược lại N₂O₄ có thể chuyển lại thành NO₂ theo phản ứng nghịch. Quá trình này được biểu diễn theo phản ứng thuận nghịch sau:

2NO₂(g)      ⇌       N₂O₄(g)       ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-58kJ\left(8\right)$

                    màu nâu đỏ            không màu

Chú ý an toàn: Khí NO₂ độc nên tránh hít phải khí NO₂. Nên làm thí nghiệm này trong tủ hốt.

Lời giải:

Hiện tượng:

+ Ống nghiệm thứ hai (2) nhúng vào cốc nước nóng, hỗn hợp trong ống nghiệm có màu đậm dần lên.

+ Ống nghiệm thứ ba (3) nhúng vào cốc nước đá, hỗn hợp trong ống nghiệm trở nên nhạt màu hơn.

Giải thích:

2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)       

${\Delta }_r{H}_{298}^o=-58kJ<0$⇒ Chiều thuận toả nhiệt.

+ Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (tức chiều phản ứng thu nhiệt) nên hỗn hợp có màu nâu đậm hơn.

+ Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (tức chiều phản ứng toả nhiệt) nên hỗn hợp trở nên nhạt màu hơn.

Câu hỏi 8 trang 11 Hoá học 11: Từ Thí nghiệm 1, hãy cho biết:

a) Dựa vào dấu hiệu nào để biết trạng thái cân bằng của phản ứng (8) bị chuyển dịch khi thay đổi nhiệt độ.

b*) Khi tăng nhiệt độ hoặc giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt hay toả nhiệt?

Lời giải:

a) Dựa vào màu sắc của khí trong ống nghiệm để biết trạng thái cân bằng của phản ứng bị dịch chuyển khi thay đổi nhiệt độ.

b) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ.

Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nhiệt độ, tức là chiều phản ứng toả nhiệt, nghĩa là chiểu làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.

Thí nghiệm 2 trang 12 Hoá học 11: Chuẩn bị: CH₃COONa tinh thể; ống nghiệm, cốc thuỷ tinh.

Tiến hành: Cho một thìa thuỷ tinh tinh thể sodium acetate (CH₃COONa) vào ống nghiệm A chứa khoảng 5 mL nước cất, lắc đều cho tan hết, rồi thêm vào ống nghiệm 2 – 3 giọt chất chỉ thị phenolphthalein. Rót khoảng một nửa dung dịch từ ống nghiệm A sang ống nghiệm B, sau đó đặt ống nghiệm B vào một cốc nước nóng (khoảng 70 ^oC – 80 ^oC). Sau khoảng 2 phút, quan sát và so sánh màu sắc của dung dịch trong hai ống nghiệm A và B.

Cho biết giữa ion acetate và nước có phản ứng thuận nghịch sau:

                                $C{H}_{3}CO{O}_{}^{-}+H_{2}O\rightleftharpoons C{H}_{3}COOH+O{H}_{}^{-}\left(9\right)$

Yêu cầu: Thảo luận về chiều chuyển dịch cân bằng trên khi nhiệt độ tăng lên.

Lời giải:

Hiện tượng:

Sau khoảng 2 phút, thấy ống nghiệm B có màu đậm hơn so với ống nghiệm A.

Kết quả thảo luận:

Khi nhiệt độ tăng lên, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

Luyện tập 4 trang 12 Hoá học 11: Dựa vào thí nghiệm 2, cho biết khi tăng nhiệt độ thì cân bằng (9) chuyển dịch theo chiều thuận hay chiều nghịch?

Lời giải:

Khi tăng nhiệt độ thì cân bằng (9) chuyển dịch theo chiều thuận tức chiều làm tăng nồng độ OH^-, làm màu dung dịch đậm lên.

Luyện tập 5 trang 12 Hoá học 11: Cân bằng sau chuyển dịch theo chiều nào khi tăng nhiệt độ?

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)      ${\Delta }_r{H}_{298}^o=-197,8kJ.$

Lời giải:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=-197,8kJ.$⇒Chiều thuận toả nhiệt.

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm nhiệt độ, đó là chiều nghịch (chiều phản ứng thu nhiệt).

Câu hỏi 9 trang 12 Hoá học 11: Cân bằng 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g) chuyển dịch theo chiều nào khi tăng áp suất của hỗn hợp (bằng cách nén hỗn hợp) ở điều kiện nhiệt độ không đổi. Biết rằng áp suất tỉ lệ với số mol chất khí.

Lời giải:

Khi tăng áp suất của hỗn hợp, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm áp suất (hay chính là chiều giảm số mol khí), tức chiều thuận.

Vận dụng 2 trang 13 Hoá học 11: Quá trình tổng hợp NH₃ trong công nghiệp từ N₂ và H₂ nên thực hiện ở áp suất cao hay áp suất thấp? Giải thích. Tìm hiểu thông tin, cho biết phản ứng tổng hợp NH₃ ở các nhà máy thường được thực hiện ở áp suất nào.

Lời giải:

Phản ứng tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Dự đoán: Phản ứng nên thực hiện ở áp suất cao, do ở áp suất cao, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó, nghĩa là theo chiều giảm áp suất (hay chính là chiều giảm số mol khí), tức chiều thuận (tăng hiệu suất tổng hợp NH₃).

Thực tế, phản ứng tổng hợp NH₃ ở các nhà máy thường được thực hiện ở áp suất 200 – 300 atm.

Vận dụng 3 trang 13 Hoá học 11: Thành phần chính của tinh dầu chuối là ester CH₃COOCH₂CH₂CH(CH₃)₂. Để thu được hỗn hợp chất chứa nhiều ester này thì cần thay đổi nồng độ các chất như thế nào trong cân bằng:

CH₃COOH(aq) + ROH(aq) ⇌ CH₃CHOOR(aq) + H₂O(l)

Với R – là (CH₃)₂CHCH₂CH₂ –.

Lời giải:

Để nâng cao hiệu suất của phản ứng (tức thu được hỗn hợp chất chứa nhiều ester này) có thể lấy dư một trong hai chất đầu (tăng nồng độ một trong hai chất đầu) hoặc làm giảm nồng độ các sản phẩm.

Bài tập (trang 14)

Bài 1 trang 14 Hoá học 11: Phát biểu nào sau đây về một phản ứng thuận nghịch tại trạng thái cân bằng là không đúng?

A. Tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

B. Nồng độ của tất cả các chất trong hỗn hợp phản ứng là không đổi.

C. Nồng độ mol của chất phản ứng luôn bằng nồng độ mol của chất sản phẩm phản ứng.

D. Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn diễn ra.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng thì:

+ Tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

+ Nồng độ của tất cả các chất trong hỗn hợp phản ứng là không đổi.

+ Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn diễn ra.

Bài 2 trang 14 Hoá học 11: Cho 0,4 mol SO₂ và 0,6 mol O₂ vào một bình dung tích 1 lít được giữ ở một nhiệt độ không đổi. Phản ứng trong bình xảy ra như sau:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng, lượng SO₃ trong bình là 0,3 mol. Tính hằng số cân bằng K_C của phản ứng tổng hợp SO₃ ở nhiệt độ trên.

Lời giải:

Do dung tích bình là 1 lít nên giá trị nồng độ bằng giá trị của số mol.

Ta có:          2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Ban đầu:        0,4            0,6            0             M

Phản ứng:      0,3            0,15          0,3          M

Cân bằng:      0,1            0,45          0,3          M

Hằng số cân bằng K_C của phản ứng tổng hợp SO₃ là:

                                          $K_C=\frac{{\text{[}S{O}_3\text{]}}^2}{{\text{[}S{O}_2\text{]}}^2.{\text{[O}}_2\text{]}}=\frac{0,3^2}{0,1^2.0,45}=20.$

Bài 3 trang 14 Hoá học 11: Nhũ đá được hình thành trong các hang động liên quan đến cân bằng sau đây:

Ca(HCO₃)₂ (aq) ⇌ CaCO₃(s) + CO₂(aq) + H₂O(l)

Nếu nồng độ CO₂ hoà tan trong nước tăng lên thì có thuận lợi cho sự hình thành nhũ đá hay không? Giải thích.

Lời giải:

Nếu nồng độ CO₂ hoà tan trong nước tăng lên thì không thuận lợi cho sự hình thành nhũ đá. Do nồng độ CO₂ tăng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ CO₂, tức chiều nghịch.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Hóa học 11 Cánh diều hay, chi tiết khác: