Bài giảng Bài 50: Cân bằng hóa học

Bài 50NhómCÂN BẰNG HÓA HỌC7Nội dungI/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hĩa họcII/ Hằng số cân bằng hĩa họcIII/Sự chuyển dịch cân bằng hĩa họcIV/Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hĩa họcV/Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hĩa học trong sản xuất hĩa họcI/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học :1. Phản ứng một chiều :VD1: Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2Trong cùng điều kiện H2 không phản ứng với ZnCl2 tạo Zn. VD2: Đun nóng tinh thể KClO3 có mặt chất xúc tác MnO22KClO3  2KCl + 3O2 to, MnO2Trong cùng điều kiện đĩ thì KCl khơng phản ứng với O2 tạo KClO3. ? 1 : Viết phản ứng của a/ Zn với dung dịch HCl.b/ Nhiệt phân KClO3. c/ Khí hidro có phản ứng được với dung dịch ZnCl2 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. I/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học :1. Phản ứng một chiều :2. Phản ứng thuận nghịch :? 2 : Viết phương trình phản ứng của a/ Cl2 với H2O ở nhiệt độ thường. b/ SO2 với O2 ở nhiệt độ thích hợp.Nhận xét: thế nào là phản ứng thuận nghịch, biểu diễn phản ứng thuận nghịch như thế nào, so với phản ứng một chiều thì phản ứng thuận nghịch cĩ đặc điểm gì khác?I/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học :a/ Xét phản ứng : Cl2 + H2O  HClO + HClỞ điều kiện thường Cl2 phản ứng với H2O tạo thành HClO và HCl, đồng thời HClO và HCl cũng phản ứng với nhau tạo ra Cl2 và H2Ob/ Xét phản ứng : Ở trong cùng điều kiện SO2 phản ứng với O2 tạo thành SO3, đồng thời SO3 cũng phân hủy tạo ra SO2 và O22. Phản ứng thuận nghịch :Phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau gọi là phản ứng thuận nghịch Dùng hai mũi tên ngược chiều nhau để biểu diễn phản ứng thuận nghịch* 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. I/ Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học :Thời gianTốc độ phản ứngVtVnTrạng thái cân bằng3. Cân bằng hóa học:XÐt ph¶n øng:H2(khÝ) + I2(khÝ) 2HI(khÝ)vt = vn Gäi Vt lµ tèc ®é cđa ph¶n øng thuËn vµ Vn lµ tèc ®é cđa ph¶n øng nghÞch.Nhận xét: Ban đầu: Vt lớn (do nồng độ I2 và H2 lớn); Vn = 0 (do nồng độ HI=0)Khi pư ùxảy ra: Vt giảm (do nồng độ I2 và H2 giảm); Vn tăng (nồng độ HI ngày càng lớn)Đến một lúc nào đó (tcb) thì Vt = Vn = const (Vcb): pứ đạt tới trạng thái cân bằng.VcbtcbC©n b»ng ho¸ häc: lµ tr¹ng th¸i cđa ph¶n øng thuËn nghÞch khi tèc ®é cđa ph¶n øng thuËn b»ng tèc ®é ph¶n øng nghÞch (Vt = Vn).VËy h·y cho biÕt c©n b»ng ho¸ häc lµ g×?Ph©n tÝch sè liƯu thùc nghiƯm thu ®­ỵc tõ ph¶n øng trªn nh­ sau H2 + I2  2HIBan ®Çu: 0,5 0,5 0 (mol/l)Ph¶n øng: 0,393 0,393 0,786 (mol/l)C©n b»ng: 0,107 0,107 0,786 (mol/l)Tõ ph©n tÝch trªn h·y cho biÕt t¹i tr¹ng th¸i c©n b»ng, ph¶n øng thuËn vµ ph¶n øng nghÞch cã xÈy ra kh«ng? Tõ ®ã h·y nªu 1 ®Ỉc ®iĨm cđa c©n b»ng hãa häc?T¹i sao ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nång ®é c¸c chÊt kh«ng ®ỉi nÕu gi÷ nguyªn ®iỊu kiƯn ph¶n øng?C©n b»ng ho¸ häc lµ c©n b»ng ®éng3. Cân bằng hóa học:XÐt ph¶n øng:H2(khÝ) + I2(khÝ) 2HI(khÝ)Số liệu phân tích:Tại trạng thái cân bằng: pứ không dừng lại mà pứ thuận và pứ nghịch vẫn tiếp tục xảy ra nhưng với tốc độ bằng nhau Vt = Vn Tại trạng thái cân bằng: Vt = Vn có nghĩa là trong 1 đơn vị thời gian, nồng độ các chất pứ giảm đi bao nhiêu theo pứ thuận thì lại được tạo ra bấy nhiêu theo pứ nghịch3. Cân bằng hóa học:XÐt ph¶n øng:H2(khÝ) + I2(khÝ) 2HI(khÝ)C©n b»ng ho¸ häc lµ tr¹ng th¸i cđa ph¶n øng thuËn nghÞch khi tèc ®é cđa ph¸n øng thuËn b»ng tèc ®é ph¶n øng nghÞch (Vt = Vn).C©n b»ng ho¸ häc lµ c©n b»ng ®éngC¸c chÊt ph¶n øng kh«ng chuyĨn ho¸ hoµn toµn thµnh s¶n phÈm nªn trong hƯ c©n b»ng lu«n lu«n cã mỈt chÊt ph¶n øng vµ chÊt s¶n phÈm.II. H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc:1. C©n b»ng trong hƯ ®ång thĨ.XÐt hƯ c©n b»ng: N2O4 (k) 2NO2 (k) ë 250CCho biết khái niệm hệ đồng thể?Là hệ khơng cĩ bề mặt phân chia trong hệ.Bằng thực nghiệm , hệ cân bằng này ở 250C người ta thu được các số liệu như sau:Nång ®é ban ®Çu, mol/lNång ®é ë tr¹ng th¸i c©n b»ng, mol/ltØ sè nång ®é lĩc c©n b»ng[N2O4]0[NO2]0[N2O4][NO2][NO2]2[N2O4]0,67000,00000,64300,05474,65.10-30,44600,05000,44800,04574,66.10-30,50000,03000,49100,04754,60.10-30,60000,04000,59400,05234,60.10-30,00000,20000,08980,02044,63.10-31. C©n b»ng trong hƯ ®ång thĨ.[NO2]2 [N2O4]≈ 4,63.10-3 ë 250CTỉ số nồng độ lúc cân bằng luơn là một hằng số nên được gọi là hằng số cân bằng và kí hiệu là K N2O4 (k) 2NO2 (k) KC=[NO2]2 [N2O4]= 4,63.10-3 ë 250C[NO2], [N2O4]: nång ®é lĩc c©n b»ng (mol/l)II. H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc:Ta nhận thấy: Tỉng qu¸t:aA + bB cC + dD KC=[C]c.[D]d [A]a.[B]bKC =f(t0)II. H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc:1. Cân bằng trong hệ đồng thể. N2O4 (k) 2NO2 (k) KC=[NO2]2 [N2O4]KC’=[NO2] [N2O4]1/2 N2O4 (k) NO2 (k) 1 2ë cïng nhiƯt ®é: K=(K’)2II. H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc:1. Cân bằng trong hệ đồng thể.VD : Viết biểu thức KC cho 2 cân bằng sau: 2. C©n b»ng trong hƯ dÞ thĨ.VD1: C (r) + CO2 (k) 2CO (k) CaCO3(r) CaO (r) + CO2(k) KC=[CO]2 [CO2]VD2:KC=[CO2]II. H»ng sè c©n b»ng ho¸ häc:Nồng độ của chất rắn được xem là hằng số. Hãy viết biểu thức của cân bằng trên?Ở 8200C: KC = 4,28.10-3 nên [CO2] = 4,28.10-3 mol/lỞ 8800C: KC=1,06.10-2 nên [CO2] = 1,06.10-2 mol/lIII/ 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. (a)(b)KNút 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 đáMột 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.(a)(b)K? 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.IV/ 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. ? 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.? 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* Ảnh hưởng của nhiệt độ :Ví dụ :CaO + H2O  Ca(OH)2 H = -65 kJCaCO3  CaO + CO2 H = +178 kJXét 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 đáNước 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.? 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 :? 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 ChatelierMột 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.V/ 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 kJPhản 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.? 10 : Xét phản ứng : 2SO2 (k) + O2 (k)  2SO3 (k) H < 0Ở 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 kJĐặc 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).? 11 : Xét phản ứng : N2 (k) + 3H2 (k)  2NH (k) H < 0Ở 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.Phương trình Nồng độ Áp suất Nhiệt độ Thuận NH3 tăngGiảm tăng NghịchN2, H2 tăng Tăng Giảm Câu 1: Sản xuất amoniac trong cơng nghiệp dựa trên phản ứng sau: N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) (H= - 92 kJ). Cân bằng hĩa học sẽ chuyển dịch về phía nào? Khi a. Tăng áp suất chung của hệ	b. Tăng nồng độ N2 ; H2	c. Tăng nhiệt độd. Dùng chất xúc tác 	Thảo luận nhĩm : Câu 2: cho phương trình phản ứng sau : CO(k) + H2O(k) CO2 (k) + H2(k) (H= - 41 kJ). Cân bằng hĩa học sẽ chuyển dịch về phía nào? Khi a. Tăng áp suất chung của hệ	Thêm 1 lượng hơi nước vào ; thêm 1 lượng khí H2 vàoc. Tăng nhiệt độ d. Tăng thể tích của hệ phản ứng 	 Thảo luận nhĩm : Phương trình Nồng độ Áp suất Nhiệt độ Thuận CO2, H2 tăngKhơng đổi tăng NghịchCO, H2O tăng Khơng đổiGiảm Câu 3: Cho phương trình phản ứng: 2SO2 + O2  2SO3 H < 0. Để tạo ra nhiều SO3 thì điều kiện nào cho Nồng độ, Áp suất, Nhiệt độ là phù hợp? Thảo luận nhĩm : Phương trình Nồng độ Áp suất Nhiệt độ Thuận SO3 tăngGiảm tăng NghịchSO3 giảm Tăng Giảm Câu 4: Cân bằng một phản ứng hố học đạt được khi: A. t phản ứng thuận = t phản ứng nghịch 	 B. vt phản ứng thuận = vt phản ứng nghịch C. C chất phản ứng = C của sản phẩm	 D. phản ứng thuận và nghịch đều kết thúc. Thảo luận nhĩm : BCâu 5: Khi tăng áp suất, phản ứng nào khơng ảnh hưởng tới cân bằng : A. N2 +3H2 = 2NH3	B. 2CO +O2 = 2CO2 C. H2 + Cl2 = 2HCl 	D. 2SO2 + O2 = 2SO3 Thảo luận nhĩm : CCủng cố:1/ Hằng số cân bằng KC của một phản ứng phụ thuộc vào yếu tố nào sau đây?Sự cĩ mặt của chất xúc tácNhiệt độÁp suấtNồng độCủng cố:2/ Trong các phản ứng sau,phản ứng nào xảy ra 1 chiều?a/ Cu(r) + 2H2SO4 đặc(l) = CuSO4 (l) +SO2 (k) + 2H2O (l)b/ SO2 (k) + O2 (k) = 2SO3 (k)c/ N2 (k) + 3H2 (k) = 2NH3 (k)d/ 3Fe(r) + 4H2O(k) = Fe3O4(r) + 4H2 (k) 3/ Viết các biểu thức hằng số cân bằng cho các phản ứng sau: CaCO3(r)  CaO (r) + CO2 (k)Cu2O(r) + ½ O2(k)  2CuO(r)SO2 (k) + ½ O2 (k)  SO3(k) 2SO2 (k) + O2 (k)  2SO3(k)Củng cố:Củng cố:Các phản ứng thuận nghịch chúng ta viết là: