SGK Hóa Học 10 - Bài 38. Căn bằng hóa học

CÂN BẢNG HOÁ HỌC
Thế nào là cân bằng hoá học và sự chuyến dịch cân bằng hoá học.
Vận dụng nguyên lí Lơ Sa-tơ-li-ê để xét đoán sự chuyến dịch cân bằng hoá học.
I - PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHÁN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CẢN BẰNG HOÁ HỌC
Phản ứng một chiều
Xét phản ứng sau :
2KC1O3 M"o°2 > 2KC1 + 3O2
Khi đun nóng các tinh thể KC103 có mặt chất xúc tác MnOọ, KC1O3 phân huỷ thành KC1 và Ot Cũng trong điều kiện đó, KC1 và O2 khóng phản ứng được với nhau tạo lại KC103, nghĩa là phản ứng chi xảy ra theo một chiều từ trái sang phải. Phản ứng như thê' được gọi là r lán ứng một chiều.
Trong phương trình hoá học của phản úng một chiền, người ta dùng một mũi tên chi chiều phản ứng.
Phản ứng thuận nghịch
Xét phản ứng sau :
Phản ứng thuận
cu + H,0 < '	■ HC1 + HC10
2	“ Phản ứng nghịch
Ờ điều kiện thường, cu phản ứng với PUO tạo thành HC1 và HC10, đồng thời HC1 và HC10 sinh ra cũng tác dụng được với nhau tạo lại cu và H-,O. nghĩa là trong cùng điều kiện, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau. Phản ứng như thế được gọi là ì ì ứng thuận nghịch.
Trong phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều nhau thay cho một mũi tên đối với phản ứng một chiều.
Cân bằng hoá học
Xét phản ứng thuận nghịch sau :
H2 w +12	<=^ 2HIW
Hình 7.4. Sự biến thiên tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch theo thời gian
Cho H2 và I2 vào trong một bình kín ở
nhiệt độ cao và không đổi. Lúc đầu tốc độ phản ứng thuận (vt) lớn vì nồng độ H9 và I2
lớn, trong khi đó tốc độ phản ứng nghịch (vn) bằng không, vì nồng độ HI bằng
không. Trong quá trình diễn ra phản ứng, nồng độ Họ và I2 giảm dần nên vt giảm dần, còn vn tăng dần vì nồng độ HI tăng dần. Đến một lúc nào đó vt trở nên bằng V
khi đó nồng độ các chất trong phản ứng thuận nghịch trên đây được giữ nguyên, nếu nhiệt độ không biến đổi. Trạng thái này của phản ứng thuận nghịch được gọi là cân bằng hoá học (hình 7.4).
Ớ trạng thái cân bằng, không phải là phản ứng dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng với tốc độ bằng nhau (vt = vn). Điều này có nghĩa là trong một đơn vị thời gian, nồng độ các 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 hoá học là cân bằng động.
Vậy, cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là các chất phản ứng không chuyển hoá hoàn toàn thành các sản phẩm, nên trong hệ cân bằng luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các sản phẩm.
Thí dụ, cho 0,500 mol// Đối với chất khí, nồng độ mol// là sô' mol khí có trong 1 lít khí.
11-HOÁHỌC10 • A
 H2 và 0,500 mol// I2 vào trong một bình kín ở
nhiệt độ 430 °C. Nếu phản ứng là một chiều thì H2 và I2 sẽ phản ứng hết
tạo thành 1,000 mol// HI. Nhưng đây là phản ứng thuận nghịch, nên chỉ thu được 0,786 mol// HI và còn lại 0,107 mol// H2, 0,107 moỉ/l I2.
II - sự CHUYỂN DỊCH CẢN BANG HOÁ HỌC
1. Thí nghiệm
Lắp bộ dụng cụ gồm hai ống nghiệm có nhánh (a) và (b), được nối với nhau bằng một ống nhựa mềm, có khoá K mở (hình 7.5).
Nạp đầy khí NO, vào cả hai ống (a) và (b) ở nhiệt độ thường. Nút kín cả hai ống, trong đó có cân bằng sau :
2NO2W <=2 N2O4W (màu nâu đỏ)	(không màu)
Nước
(b)
Hình 7.5. Thí nghiệm để nhận biết sự chuyển dịch cân bằng của phản ứng
Màu của hỗn hợp khí trong cân bằng ở cả hai ống (a) và (b) là như nhau.
Đóng khoá K lại để ngăn không cho khí ở hai ống khuếch tán vào nhau. Ngâm ống (a) vào nước đá. Một lát sau lấy ra, so sánh màu ở ống (a) với ống (b), ta thấy màu ở ống (a) nhạt hơn. Vậy, khi ta làm lạnh ống (a), các phân tử NO2 trong ống đó đã phản ứng thêm để tạo ra N,O4, làm nồng độ NO, giảm bớt và nồng độ N,O4 tăng thêm. Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hoá học
2. Định nghĩa
Sự chuyển dịch cân bằng hoá 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 Ịên cân bằng. Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nồng độ, áp suất và nhiệt độ. Chúng được gọi là các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học.
Ill	- CÁC YÊU TÓ ẢNH HUỞNG ĐẾN CÂN BANG HOÁ HỌC 1. Ảnh hưởng của nồng độ
Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi :
Khi hệ phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, nghĩa là vt = vn, nồng độ các chất trong phản ứng không biến đổi nữa.
Nếu ta cho thêm vào hệ một lượng khí co,, nồng độ co, trong hệ sẽ tăng lên làm cho ngay lúc đó vt trở nên lớn hơn vn, co, sẽ phản ứng thêm với c tạo ra CO cho đến khi vt lại bằng vn, lúc đó cân bằng mới được thiết lập. Ở trạng thái cân bằng mới, nồng độ các chất sẽ khác ỵới ở trạng thái cân bằng cũ.
11 -HOẢHOC 10-B
Vậy, khi thêm C02 vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải (theo chiều thuận), chiều làm giảm nồng độ CO-, thêm vào.
Quá trình chuyển dịch cân bằng xảy ra tương tự khi ta lấy bớt khí co ra khỏi cân bằng, vì khi đó vn < vt.
Ngược lại, nếu ta cho thêm khí co vào hoặc lấy bớt khí CO2 ra khỏi hệ cân bằng thì lúc đó vt < vn, cân bằng sẽ chuyển dịch từ phải sang trái (theo chiều nghịch), nghĩa là theo chiều làm giảm nồng độ co hoặc chiều tăng nồng độ CO-,.
Từ sự khảo sát ở trên ta thấy rằng, 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 rằng, nếu trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất), thì việc thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng, nghĩa là cân bằng không chuyển dịch(1).
2. Ảnh hưởng của áp suất
Xét hệ cân bằng (1) trong xi lanh kín có pit tông (hình 7.6) ở nhiệt độ thường và không đổi :
N2O4W <=* 2NO2W	(1)
1 ì
Hệ ! ; <_
!	n
bằng ;;
11
	í
d
Hình 7.6. Thí nghiệm chứng minh ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng :
N2O4 (k)	2NO2 (k)
Thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng áp suất chung của hệ lên, bằng cách đẩy pit tông vào để cho thể tích chung của hệ giảm xuống, thì số mol khí NO-, sẽ giảm bớt, đồng thời số mol khí N2O4 sẽ tăng thêm, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.
Nhận xét : Nhìn vào phản ứng (1) ta thấy cứ hai mol khí NO-, phản ứng tạo ra một mol khí N2O4, nghĩa là phản ứng nghịch làm giảm số mol khí trong hệ, do đó làm giảm áp suất chung của hệ.
Như vây, khi tăng, áp suất chung của hệ cân bằng trên, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều làm giảm áp suất chung của hệ, nghĩa là chuyển dịch về phía làm giảm tác động của việc tăng áp suất chung.
Trừ trường hợp việc thêm hoặc bớt này gây ra sự biến đổi áp suất chung của hệ.
Bây giờ nếu ta làm giảm áp suất chung của hệ cân bằng trên bằng cách kéo pit tông ra để cho thể tích chung của hệ tăng lên, thì số mol khí NO2 sẽ tăng thêm, đồng thời số mol khí N2O4 sẽ giảm bớt. Vậy, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều làm tăng số mol khí trong hệ, nghĩa là chuyển dịch về phía làm giảm tác động của việc giảm áp suất chung.
Vậy, 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.
Từ các thí nghiệm trên; ta suy ra : nếu phản ứng có số mol khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí, thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng. Thí dụ, áp suất không ảnh hưởng đến các cân bằng sau :
H7 (k) + I2 (k) <=2 2HI (k)
Fe2O3 (r) + 3CO (k) 2Fe (r) + 3CO2 (k)
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học cần biết khái niệm phản ứng toả nhiệt và phản ứng thu nhiệt.
Các phản ứng hoá học thường kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Thí dụ, khi cho vôi sống (CaO) tác dụng với nước, ta thấy hỗn hợp tạo thành sôi lên. Phản ứng như thế là phản ứng toả nhiệt. Ngược lại, khi nung đá vôi (CaCO3) để sản xuất vôi sống, ta phải liên tục cung cấp nhiệt cho phản ứng. Đó là phản ứng thu nhiệt.
Để chỉ lượng nhiệt kèm theo mỗi phản ứng hoá học, người ta dùng đại lượng nhiệt phản ứng, kí hiệu là AH. Phản ứng toả nhiệt thì các chất phản ứng mất bớt năng lượng nên giá trị AH có dấu âm (AH 0). Thí dụ :
CaO + H2O —> Ca(OH)2	AH = - 65 kJ
CaCO3 -A CaO + CO2	AH =+178 kJ
AH = 58 kJ
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học ta xét lại cân bằng (2) trong bình kín :
N2O4W	2NO2W
(không màu)	(màu náu đỏ)
Phản ứng thuận thu nhiệt (AH = 58 kJ > 0). Phản ứng nghịch toả nhiệt (AH = -58 kJ < 0).
Khi hỗn hợp khí trên đang ở trạng thái cân bằng, nếu đun nóng hỗn hợp khí bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp vào nước sôi, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí đậm lên, nghĩa là càn bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng thu nhiệt.
Nếu làm lạnh bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp khí vào nước đá, màu của hỗn hợp khí nhạt đi, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng toả nhiệt Có thể tiến hành thí nghiệm như hình 7.5.
.
Như vậy, khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt, chiều làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.
Kết luận :
Ba yếu tố nồng độ, áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng đến cân bằng hoá học đã được Lơ Sa-tơ-li-ê (H. Le Chatelier, 1850 - 1936, nhà hoá học Pháp) tổng kết thành nguyên lí được gọi là nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê như sau :
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.
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 chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hoá học.
Khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn.
- Ý NGHĨA CỦA TÓC ĐỘ PHẢN ÚNG VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC TRONG SẢN XUẤT HOÁ HỌC
Để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hoá học trong sản xuất hoá học, chúng ta lấy một số thí dụ sau đây :
Thí dụ 1. Trong quá trình sản xuất axit sunfuric phải thực hiện phản ứng sau : 2SO-, (k) + o2 (k) 2SO3 (k)	AH < 0
Trong phản ứng này người ta dùng oxi không khí.
ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra rất chậm. Đê 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 toả nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch thèo chiều nghịch làm giảm hiệu suất của phản ứng. Để hạn chê' tác dụng này, người ta đã dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
Thí dụ 2. Trong công nghiệp, amoniac được tổng hợp theo phản ứng sau :
Nọ (k) + 3H2 (k) 2NH3 (k)	AH < 0
Đặc điểm của phản ứng này là tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thường, toả nhiệt và số mol khí của sản phẩm ít hơn so với số mol khí của các chất phản ứng. Do đó, người ta phải thực hiện phản ứng này ở nhiệt độ cao, áp suất cao và dùng chất xúc tác. ở áp suất cao, cân bằng chuyển dịch sang phía tạo ra NH3, nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch ngược lại, nén chỉ thực hiện được ở nhiệt độ thích hợp.
BÀI TẬP
Ý nào saụ đây là đúng ?
Sất cứ phản ứng nào cũng phải đạt đến trạng thái cân bằng hoá học.
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 hoá học.
D. ở trạng thái cân bằng, khối lượng các chất ở hai vế của phương trình hoá học phải bằng nhau.
I
Hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín :
2SO2 (k) + O2 (k)	2SO3 (k)	AH < 0
Yếu tố nào sau đây không làm nồng độ các chất trong hệ cân bằng biến đổi ?
Biến đổi nhiệt độ.
Biến đổi áp suất.
c. Sự có mặt chất xúc tác.
D. Biến đổi dung tích của bình phản ứng.
• Cân bằng hoá học là gì ? Tại sao nói cân bằng hoá học là cân bằng động ?
Thế nào là sự chuyển dịch cân bằng ? Những yếu tô' nào ảnh hưởng đến cân bằng hoá học ? Chất xúc tác có ảnh hưởng đến cân bằng hoá học không ? Vì sao ?
c (r) + co2 (k)	2CO (k)
• Xét các hệ cân bằng sau trong một bình kín : c (r) + H2O (k)	CO (k) + H2 (k)
CO (kì + H.o (kì	co. (k) + H. (k)
5- Phát biểu nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê và dựa vào cân bằng sau để minh hoạ :
AH > 0
AH > 0	(1)
AH < 0	(2)
Các cân bằng trên chuyển dịch như thế nào khi biến đổi một trong các điều kiện sau ?
Tăng nhiệt độ.
Thêm lượng hơi nước vào.
Thêm khí H2 vào.
Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống.
Dùng chất xúc tác.
■ Clo phản ứng với nước theo phương trình hoá học sau :
Cl2 + H2O <==^ HCIO + HCI
Dưới tác dụng của ánh sáng, HCIO bị phân huỷ theo phản ứng :
2HCIO 	> 2HCI + 02 T
Giải thích tại sao nước clo (dung dịch clo trong nước) không bảo quản được lâu.
8. Cho phản ứng sau :
4CuO (r)	 2Cu2O (r) + O2 (k) AH > 0
Có thể dùng những biện pháp gì để tăng hiệu suất chuyểri hoá CuO thành Cu2O ?