Bài 38. Cân bằng hoá học

Bài :
Giáo viên dạy :
Bùi Thị Chi
Kiểm tra bài cũ :
Mỗi học sinh trả lời 2 câu hỏi trắc nghiệm với thời gian 30 giây cho 1 câu, sau đó giải thích vì sao chọn đáp án đúng.
Viết phương trình ph?n ?ng (nếu có).
Câu hỏi 1 : Cho 5,6 gam sắt tác dụng với dung dịch H2SO4 4M ở nhiệt độ thường. Ý nào sau đây đúng ? Tốc độ phản ứng tăng khi :
A. Dùng dung dịch H2SO4 2M thay dung dịch H2SO4 4M
B. Tăng thể tích dung dịch H2SO4 4M lên gấp đôi.
C. Giảm thể tích dung dịch H2SO4 4M xuống một nửa.
D. Tăng nhiệt độ phản ứng là 50oC.
Câu B
Câu hỏi 2 : Một phản ứng hóa học được biểu diễn như sau ; Chất phản ứng ? sản phẩm phản ứng. Yếu tố nào sau đây không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng ?
A. Nồng độ các chất phản ứng.
B. Nồng độ các sản phẩm.
C. Chất xúc tác.
D. Nhiệt độ.
Câu B

I/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học :
1. Phản ứng một chiều :
Ví dụ1 : Fe + 2HCl ? FeCl2 + H2?
Trong cùng điều kiện H2 không phản ứng với FeCl2.
Ví dụ 2 : Đun nóng tinh thể KClO3 có mặt chất xúc tác MnO2
2KClO3 ? 2KCl + 3O2
to, MnO2
KClO3 phân hủy tạo KCl và O2, cũng trong điều kiện đó KCl không phản ứng được với O2 tạo KClO3.
Phiếu học tập số 1 : Viết phản ứng của Fe với dung dịch HCl, nhiệt phân KClO3. Khí hidro có phản ứng được với dung dịch FeCl2 hay không ? Khí oxi có phản ứng được với KCl hay không ?
Phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều từ trái sang phải gọi là phản ứng một chiều, dùng mũi tên chỉ chiều phản ứng.
2. Phản ứng thuận nghịch :
Xét phản ứng : Cl2 + H2O ? HClO +? HCl
Ở điều kiện thường Cl2 phản ứng với H2O tạo thành HClO và HCl, đồng thời HCl và HClO cũng phản ứng với nhau tạo ra Cl2 và H2O.
Phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau gọi là phản ứng thuận nghịch, dùng hai mũi tên ngược chiều nhau.
* Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch : Hỗn hợp phản ứng luôn có mặt đồng thời cả sản phẩm và chất tham gia phản ứng.
Phiếu học tập số 2 : Viết phương trình ph?n ?ng của clo với H2O. HClO là chất oxi hóa mạnh oxi hóa được HCl là chất khử. Viết phương trình phản ứng.
3. Cân bằng hóa học :
+ Xét phản ứng : H2 (k) + I2 (k) ? 2HI (k)
Tại thời điểm ban đầu nồng độ H2 và I2 lớn, HI chưa sinh ra vT lớn, vN = 0 ? vT > vN.
Khi phản ứng xảy ra nồng độ H2 và I2 giảm ? vT giảm, nồng độ HI tăng ? vN tăng đến một lúc nào đó vT = vN.
Nghĩa là có bao nhiêu chất phản ứng biến thành sản phẩm thì cũng có bấy nhiêu sản phẩm biến thành chất phản ứng ? hỗn hợp phản ứng có thành phần không đổi. vT và vN không đổi..
Xem đồ thị minh họa
Trạng thái này được gọi là trạng thái cân bằng.
Phiếu học tập số 3 : Xét phản ứng :
H2 (k) + I2 (k) ? 2HI (k). Sau khi xem mô phỏng cân bằng hóa học ? định nghĩa trạng thái cân bằng hóa học.
* 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. vT = vN.
Cân bằng hóa học là một cân bằng động.
Ví dụ : Cho 0,500 mol/lít H2 vào 0,500 mol/lít I2 vào bình phản ứng.
Khi phản ứng cân bằng có 0,786 mol/lít HI.
H2 (k) + I2 (k) ? 2HI (k)
Đầu 0,5 M 0,5M 0
0,393M ?
Lúc cân bằng :
0,786M
0,107M
Phản ứng
0,786M
0,393M ?
0,107M
Vậy : Hỗn hợp phản ứng lúc cân bằng có mặt cả chất phản ứng và sản phẩm.
Phiếu học tập số 4 : Khi cho 0,500 mol/lít H2 vào 0,500 mol/lít I2 vào bình phản ứng. Phản ứng cân bằng có 0,786 mol/lít HI. Tính nồng độ của các chất trong hỗn hợp phản ứng lúc cân bằng
II/ Sự chuyển dịch cân bằng :
1/ Thí nghiệm : Lắp dụng cụ như hình vẽ
+ Nạp đầy khí NO2 vào cả hai ống nghiệm (a) và (b) ở nhiệt độ thường.
Nút kín cả hai ống, trong đó có cân bằng sau :
2NO2 (k) ? N2O4 (k)
(màu nâu đỏ) (không màu)
Màu của hỗn hợp khí trong cân bằng ở hai ống nghiệm như nhau.
+ Đóng khóa K lại, ngâm ống (a) vào nước đá.
Nước đá
Một lát sau, so sánh màu thấy :
Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng.
ống (a) màu nhạt hơn chứng tỏ ống (a) nồng độ khí NO2 giảm.
Phiếu học tập số 5 : Nhận xét hiện tượng thí nghiệm. Nồng độ NO2 ở 2 ống có gì thay đổi ?
2/ Định nghĩa :
Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố bên ngoài lên cân bằng.
+ Các yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nồng độ, áp suất, nhiệt độ.
Chúng được gọi là các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.
III/ Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học :
1/ Ảnh hưởng của nồng độ :
Xét một hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi :
C(r) + CO2 (k) ? 2CO (k) (1)
+ Khi ở trạng thái cân bằng : vT = vN, nồng độ của các chất không đổi.
Phiếu học tập số 6 : So sánh vT và vN khi phản ứng ở trạng thái cân bằng.
C(r) + CO2 (k) ? 2CO(k)
Khi thêm CO2 vào thì hệ cân bằng sẽ biến đổi như thế nào ?
Bớt CO hệ cân bằng biến đổi như thế nào ?
Thêm CO hệ cân bằng biến đổi như thế nào ?
? Cân bằng đã chuyển dời theo chiều phản ứng thuận.
+ Thêm CO2 vào hỗn hợp phản ứng, nồng độ CO2 tăng làm vT lớn hơn vN, phản ứng tạo nhiều CO hơn
? nồng độ CO2 giảm, nồng độ CO tăng
? vT giảm, vN tăng đến một lúc nào đó vT = vN thì phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng mới có nồng độ CO2 nhỏ hơn, nồng độ CO lớn hơn so với trạng thái cân bằng ban đầu
+ Tương tự khi lấy bớt CO ra khỏi hỗn hợp : cân bằng chuyển dời theo chiều thuận.
+ Thêm CO vào : cân bằng chuyển dời theo chiều nghịch.
? Kết luận : Khi tăng hoặc giảm nồng độ của một chất trong cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác dụng của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó.
+ Chú ý : Khi thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng (cân bằng không chuyển dịch).
2/ Ảnh hưởng của áp suất :
Thí nghiệm : Xét hệ cân bằng trong xi lanh kín có pít tông ở nhiệt độ thường không đổi.
N2O4 (k) ? 2NO2 (k)
(màu nâu đỏ) (không màu)
+ Đẩy pít tông vào làm tăng áp suất của hệ,
màu của hỗn hợp khí nhạt hơn.
Phiếu học tập số 7 : Khi đẩy pít tông vào thì áp suất của hệ thay đổi như thế nào ? Nhận xét về màu của hỗn hợp khí ? số mol khí nào tăng ? Cân bằng chuyển dịch theo chiều nào ?
Câu hỏi tương tự khi kéo pít tông ra.
+ Thí nghiệm chứng tỏ : khi tăng áp suất số mol khí NO2 giảm, số mol N2O4 tăng ? cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.
+ Nhận xét : Phản ứng nghịch từ 2 mol NO2 tạo 1 mol N2O4 ? số mol khí giảm ? áp suất giảm.
Vậy khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm áp suất chung của hệ.
+ Khi giảm áp suất chung của hệ bằng cách kéo pít tông ra cho thể tích của hệ tăng, số mol NO2 tăng, số mol N2O4 giảm bớt ? cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ? làm tăng áp suất.
? 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 dụng của việc tăng hay giảm áp suất đó.
+ Chú ý : Nếu phản ứng có số mol khí ở hai vế bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khi thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.
3/ Ảnh hưởng của nhiệt độ :
* Nhiệt phản ứng :
+ Cho vôi sống vào nước, nước sôi ? phản ứng tỏa nhiệt.
+ Nung đá vôi thành vôi sống phải cung cấp nhiệt ? phản ứng thu nhiệt.
? Để chỉ lượng nhiệt kèm theo mỗi phản ứng hóa học người ta dùng đại lượng nhiệt phản ứng (?H)
+ Phản ứng tỏa nhiệt : các chất phản ứng mất bớt năng lượng ?H < 0, năng lượng tỏa vào môi trường làm nhiệt độ tăng.
+ Phản ứng thu nhiệt : các chất phản ứng phải lấy thêm năng lượng để tạo thành sản phẩm ?H > 0
* Ảnh hưởng của nhiệt độ :
Ví dụ :
CaO + H2O ? Ca(OH)2 ?H = -65 kJ
CaCO3 ? CaO + CO2 ?H = +178 kJ
Xét cân bằng trong bình kín :
N2O4 (k) ? 2NO2 (k) ?H = 58 kJ
(màu nâu đỏ) (không màu)
Phản ứng thuận ?H = +58 kJ > 0 phản ứng thu nhiệt.
Phản ứng nghịch ?H = -58 kJ < 0 phản ứng tỏa nhiệt.
to
Ngâm hỗn hợp phản ứng trong nước đá và nước sôi.
Nước đá
Nước sôi
+ Hỗn hợp ở trạng thái cân bằng, ngâm bình đựng hỗn hợp vào nước sôi, màu nâu đỏ của hỗn hợp đậm lên ? cân bằng chuyển dịcch theo chiều nghịch ? chiều của phản ứng thu nhiệt.
+ Ngâm bình vào nước đá, màu của hỗn hợp khí nhạt đi ? cân bằng chuyển dời theo chiều thuận ? chiều của phản ứng tỏa nhiệt.
Phiếu học tập số 8 : Sau khi xem mô phỏng thí nghiệm, nhận xét màu của hỗn hợp khí ? xác định chiều chuyển dịch của cân bằng ? kết luận về ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học.
? Kết luận : Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt nghĩa là làm giảm tác dụng của việc tăng nhiệt độ và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt chiều làm giảm tác dụng của việc giảm nhiệt độ.
Ba yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học là nồng độ, áp suất, nhiệt độ được tổng kết thành nguyên lí chuyển dịch cân bằng :
Phiếu học tập số 9 : Nêu điểm giống nhau của chiều chuyển dịch cân bằng khi chịu tác động của nồng độ, áp suất, nhiệt độ. Từ đó phát biểu nguyên lí chuyển dịch cân bằng.
* Nguyên lý chuyển dịch cân bằng : (nguyên lý Lơ Satơlie) le Chatelier
Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động bên ngoài như biến đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.
4/ Vai trò của chất xúc tác :
Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau nên không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.
Chất xúc tác làm cho phản ứng nhanh đạt đến trạng thái cân bằng.
IV/ Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học :
Ví dụ1 : Trong quá trình sản xuất axit sunfuric có phản ứng :
2SO2 (k) + O2 (k) ? 2SO3 (k) ?H = -198 kJ
Phản ứng này dùng oxi không khí, ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra rất chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khá cao.
Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt, tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất của phản ứng, để hạn chế tác dụng này người ta dùng một lượng dư không khí (tăng nồng độ oxi) làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
Phiếu học tập số 10 : Xét phản ứng :
2SO2 (k) + O2 (k) ? 2SO3 (k) ?H < 0
Ở nhiệt độ thường phản ứng xảy ra rất chậm, làm thế nào để cân bằng phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận thu được nhiều SO3 ?
- Nêu đặc điểm của phản ứng.
- Dự kiến các cách làm cân bằng phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận.
Ví dụ2 :
N2 (k) + 3H2 (k) ? 2NH3 (k) ?H = 192 kJ
Đặc điểm của phản ứng : tốc độ phản ứng rất chậm ở nhiệt độ thường, tỏa nhiệt và phản ứng thuận làm giảm áp suất chung của hệ.
Do đó phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao, áp suất cao và dùng chất xúc tác. Tuy nhiên nhiệt độ cao làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, nên chỉ thực hiện ở nhiệt độ thích hợp (không cao quá).
Phiếu học tập số 11 : Xét phản ứng :
N2 (k) + 3H2 (k) ? 2NH (k) ?H < 0
Ở nhiệt độ thường phản ứng xảy ra rất chậm, làm thế nào để cân bằng phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận thu được nhiều NH3 ?
- Nêu đặc điểm của phản ứng :
- Dự kiến các cách làm cân bằng phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận.