CĐ: Tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học (LT)

A – Lý thuyết tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học

I. Tốc độ phản ứng

1. Tốc độ phản ứng

Thực nghiệm cho thấy có những phản ứng xảy ra gần như tức thời như các phản ứng nổ, phản ứng giữa các ion trong dung dịch vv… Nhưng cũng có những phản ứng xảy ra rất chậm. Thường là những phản ứng giữa các hợp chất cộng hóa trị, nhất là những hợp chất hữu cơ. Hết sức chậm là những phản ứng xảy ra trong lòng thủy tinh, trong xỉ, trong lòng đất. Như các phản ứng hình thành dầu mỏ, than đá.

Người ta nói rằng các phản ứng hóa học có tốc độ khác nhau.

Tốc độ phản ứng hóa học được xác định bằng độ biến thiên nồng độ của chất trong đơn vị thời gian.

Nồng độ của chất được tính bằng mol/lít. Thời gian tính bằng giây, phút hoặc giờ …

Giả sử có phản ứng: A à M + N

Tại thời điểm t₁ nồng độ của chất A là C₁

Tại thời điểm t₂ nồng độ của chất A là C₂

Vận tốc trung bình là: v = (C₁ – C₂)/(t₂ – t₁) hay – (C₁ – C₂)/(t₁ – t₂) = -∆C_A/∆t

Nếu phản ứng có dạng tổng quát: aA  +  bB  à dD  +  eE

Khi đó tốc độ phản ứng sẽ là: v = -1/a.∆C_A/∆t = -1/b.∆C_B/∆t = 1/d.∆C_D/∆t = 1/e.∆C_E/∆t

Tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất và nồng độ các chất phản ứng, áp suất (nếu có chất khí tham gia), nhiệt độ, bản chất của dung môi, sự có mặt của chất xúc tác.

2. Những yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng

a. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng.

Tốc độ phản ứng hóa học ở nhiệt độ không đổi tỉ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng với số mũ là hệ số của các chất trong phương trình phản ứng.

Đối với phản ứng tổng quát: aA  +  bB  à dD  +  eE

Tốc độ là: v = k.C_A^a.C_B^b

-          k: hằng số tốc độ

-          C_A, C_B nồng độ của chất A và B tại thời điểm xác định tốc độ phản ứng.

Chú ý rằng tốc độ phản ứng biến đổi liên tục theo thời gian vì nồng độ các chất tham gia phản ứng biến đổi theo thời gian. Khi phản ứng bắt đầu xảy ra, nồng độ của các chất tại thời điểm đó là lớn nhất, nên tốc độ cũng lớn nhất. Khi phản ứng sắp kết thúc thì tốc độ trở nên rất nhỏ.

Nếu phản ứng xảy ra giữa các chất khí thì tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào áp suất các chất tham gia phản ứng.

Nếu phản ứng xảy ra giữa chất rắn và chất khí hay chất rắn và chất lỏng thì ngoài yếu tố nồng độ hay áp suất thì tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa chất rắn với chất lỏng và với chất khí. Diện tích tiếp xúc càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng.

Đa số các phản ứng hóa học có tốc độ tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng tới tốc độ phản ứng được biểu diễn thông qua biểu thức sau:

            v₂ = v₁.(γ)^{(t2 – t1)/10}

-          v₂, v₁: tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t₂, t₁ (t₂ > t₁ đơn vị độ C)

-          γ: hệ số nhiệt độ.

c. Ảnh hưởng của chất xúc tác.

Lượng chất xúc tác thường nhỏ hơn nhiều so với các chất phản ứng và có lượng không đổi sau khi phản ứng kết thúc. Chúng có khả năng làm biến đổi mãnh liệt tốc độ phản ứng (có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn) hoặc gây ra phản ứng đó. Đa phần chất xúc tác có tính chọn lọc nghĩa là thường chỉ có tác dụng với phản ứng này mà không có tác dụng với phản ứng khác.

II. Cân bằng hóa học.

Trong nhiều quá trình hóa học, các chất tham gia phản ứng có thể biến hóa hoàn toàn thành sản phẩm. Ví dụ khi đun nóng hoặc có mặt MnO₂, KClO₃ phân hủy hoàn toàn thành KCl và O₂ theo phản ứng:

                        KClO₃  à KCl + 3/2O₂

Nhưng KCl và O₂ không thể kết hợp với nhau tạo thành KClO₃. Những phản ứng chỉ xảy ra một chiều như vậy gọi là phản ứng một chiều.

Trong khi đó, khi cho khí H₂ đi qua Fe₃O₄ được đốt nóng đến 500^oC, xảy ra phản ứng tạo thành Fe và H₂O theo phản ứng:        Fe₃O₄  +  4H₂ à 3Fe  +  4H₂O

Nhưng cũng tai cùng điều kiện 500^oC, cho Fe tác dụng với hơi nước ta lại thu được H₂ va Fe₃O₄ theo phản ứng ngược lại:        3Fe  +  4H₂O à Fe₃O₄  +  4H₂

Như vậy ở cùng điều kiện như nhau đã xảy ra hai phản ứng ngược nhau, nghĩa là có thể thực hiện theo hai chiều. Những phản ứng đó được gọi là phản ứng thuận nghịch.

Khi đó ta viết phương trình như sau: Fe₃O₄ + 4H₂ D 3Fe + 4H₂O

Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch: Các chất phản ứng không thể biến hoàn toàn thành sản phẩm hay nói cách khác không thể thực hiện phản ứng một cách hoàn toàn.

Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch thì phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng. Chú ý rằng tại trạng thái cân bằng, phản ứng không phải dừng lại mà vẫn luôn diễn ra đồng thời quá trình thuận và quá trình nghịch.

1. Hằng số cân bằng

Khi một hệ đồng thể đạt tới trạng thái cân bằng, tích nồng độ của sản phẩm với số mũ thích hợp chia cho tích nồng độ của các chất phản ứng với số mũ thích hợp luôn luôn là một hằng số ở nhiệt độ không đổi.

Gọi K_C là hằng số cân bằng của phản ứng: aA  +  bB  D dD  +  eE

Khi đó ta có: K_C = ([D]^d.[E]^e)/([A]^a.[B]^b)

Với [X] là nồng độ của chất X tại thời điểm cân bằng.

Quan sát vào biểu thức ta thấy hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ và cách viết phương trình phản ứng.

2. Các yếu tố ảnh hưởng tới cân bằng hóa học

Một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu chịu một tác dụng bên ngoài như sự thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng chuyển dịch về phía làm giảm tác dụng bên ngoài đó.

a. Ảnh hưởng của nồng độ

Ví dụ: Xét phản ứng:  FeCl₃               +                      3KSCN           D         Fe(SCN)₃        +          3KCl

                                    Gần như không màu               Không màu                 Màu đỏ máu                Không màu

Khi thêm FeCl₃ hoặc KSCN thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận nghĩa là chiều làm giảm nồng độ của FeCl₃ hoặc KSCN, màu đỏ của dung dịch sẽ đậm hơn.

Khi thêm KCl cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch nghĩa là làm giảm nồng độ của KCl, màu đỏ của dung dịch sẽ nhạt đi.

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học được quyết định bởi dấu của ∆H.

Nếu ∆H > 0 (Phản ứng thuận thu nhiệt, phản ứng nghịch tỏa nhiệt): Khi tăng nhiệt độ phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng thu nhiệt. Ngược lại khi giảm nhiệt độ phản ứng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng tỏa nhiệt.

Nếu ∆H < 0 (Phản ứng thuận tỏa nhiệt, phản ứng nghịch thu nhiệt): Khi tăng nhiệt độ phản ứng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng thu nhiệt. Ngược lại khi giảm nhiệt độ phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng tỏa nhiệt.

Tóm lại: Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu tăng nhiệt độ của hệ thì cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng ứng thu nhiệt và ngược lại.

Ví dụ: Xét cân bằng sau                     2NO₂               D         N₂O₄                             ∆H < 0

                                                            Màu nâu đỏ                 Không màu

Phản ứng thuận tỏa nhiệt, phản ứng nghịch thu nhiệt.

Khi làm lạnh hỗn hợp trên (tức là giảm nhiệt độ phản ứng) cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều của phản ứng tỏa nhiệt).

c. Ảnh hưởng của áp suất

Một hệ phản ứng của chất khí đang ở trạng thái cân bằng nếu tăng áp suất của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía làm giảm áp suất của hệ và ngược lại.

Ví dụ: Xét cân bằng                N₂  +  3H₂  D 3NH₃

Nếu phản ứng xảy ra theo chiều thuận: Tổng số mol khí giảm sau phản ứng (áp suất giảm).

Nếu phản ứng xảy ra theo chiều nghịch: Tổng số mol khí tăng sau phản ứng (áp suất tăng).

Khi giảm áp suất của hệ phản ứng thì phản ứng sẽ xảy ra theo chiều làm tăng áp suất (chiều nghịch).

Khi tăng áp suất của hệ phản ứng thì phản ứng sẽ xảy ra theo chiều làm giảm áp suất (chiều nghịch).

Tất nhiên với những hệ như H₂ + I₂ D 2HI hay CO + H₂O D CO₂  + H₂ việc thay đổi áp suất không làm cho cân bằng bị chuyển dịch.

d. Ảnh hưởng của chất xúc tác.

Chất xúc tác chỉ có tác dụng làm cho cân bằng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi trạng thái cân bằng.

B – Một số bài tập vận dụng

Ví dụ 1: Cho phản ứng sau: 2SO_2(k)  +  O_2(k) D 2SO_3(k)         ∆H < 0

Để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận thì: (a) Tăng áp suất; (b) Hạ nhiệt độ; (c) Tăng nhiệt độ; (d) Dùng chất xúc tác V₂O₅; (e) Giảm nồng độ SO₃. Số biện pháp đúng là:

            A. 2                             B. 3                                         C. 4                                         D. 5

Hướng dẫn:

∆H < 0: Phản ứng thuận tỏa nhiệt, muốn phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận ta phải hạ nhiệt độ, biện pháp (c) đúng, (b) sai.

Phản ứng thuận làm cho áp suất giảm à khi tăng áp suất của hệ thì phản ứng xảy ra theo chiều thuận, biện pháp (a) đúng.

Khi giảm nồng độ của SO₃, phản ứng xảy ra theo chiều làm tăng nồng độ của SO₃, nghĩa là theo chiều thuận, biên pháp (e) đúng.

Biện pháp (d) không làm chuyển dịch cân bằng.

Vậy số biện pháp đúng là 3 gồm các biện pháp (a), (c) và (e).                                                          

Đáp án B

Ví dụ 2: Xét phản ứng hóa học: A_(k)  +  2B_(k) à C_(k)  +  D_(k)

Tốc độ của phản ứng được tính theo biểu thức: v = k.C_A.C_B². Khi nồng độ của chất A giảm 6 lần và nồng độ của chất B tăng 3 lần thì tốc độ của phản ứng so với lúc trước:

            A. Giảm 1,5 lần                       B. Tăng 1,5 lần                        C. Tăng 3 lần               D. Giảm 3 lần

Hướng dẫn

Gọi nồng độ ban đầu của A, B lần lượt là a, b

Nồng độ sau khi thay đổi là a/6 và 3b

Tốc độ phản ứng ban đầu là: v = k.a.b²

Tốc độ sau khi thây đổi nồng độ là: v’ = k.(a/6).(3b)² = 9/6.(k.a.b²) = 1,5v

Vậy tốc độ của phản ứng tăng 1,5 lần.

Đáp án B

Ví dụ 3: Cho các phản ứng sau:

            (1) H_2(k)  +  I_2(k) D 2HI_(k)                                 (2) ½ H_2(k) + ½ I_2(k)  D HI_(k)

            (3) HI_(k) D ½ H_2(k) + ½ I_2(k)                             (4)  2HI_(k) D H_2(k) + I_2(k)

            (5) H_2(k) + I_2(r) D 2HI_(k)

Ở nhiệt độ xác định, nếu K_C của cân bằng (1) là 64 thì K_C’ bằng 0,125 là của cân bằng:

            A. (5)                                       B. (2)                           C. (3)                                       D. (4)

Hướng dẫn

Dễ thấy 64 = (1/0,125)²

Mà: 64 = ([HI]²/[H₂][I₂]) = (1/K_C’)² à K_C’ = ([H₂]^1/2.[I₂]^1/2)/[HI]

Đây là biểu thức tính hằng số cân bằng của phản ứng (3).                                                                

Đáp án C

Ví dụ 4: Giả sử trong bình kín, ở 80^oC tồn tại cân bằng sau: 2NO + O₂ D 2NO₂

Khi hạ nhiệt độ xuống 40^oC, thấy màu của hỗn hợp đậm hơn. Vậy kết luận nào sau đây đúng ?

            A. Phản ứng tỏa nhiệt, ∆H < 0                                   B. Phản ứng tỏa nhiệt, ∆H > 0

            C. Phản ứng thu nhiệt, ∆H < 0                                   D. Phản ứng thu nhiệt, ∆H > 0

Hướng dẫn

Loại hai đáp án B và C.

Khi hạ nhiệt độ, phản ứng xảy ra theo chiều tăng nhiệt độ hay chiều của phản ứng tỏa nhiệt. Màu của hỗn hợp đậm hơn chứng tỏ phản ứng xảy ra theo chiều thuận là phản ứng tỏa nhiệt. Vậy Phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt có ∆H < 0.

Đáp án A

Ví dụ 5: Cho cân bằng sau: A_2(k)  +  3B_2(k) D 2D_(k). Khi tăng nhiệt độ, tỉ khối của hỗn hợp giảm. Phát biểu nào sau đây đúng ?

A. Phản ứng thuận thu nhiệt. Khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo phản ứng thuận.

B. Phản ứng thuận tỏa nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo phản ứng nghịch.

C. Phản ứng thuận thu nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo phản ứng nghịch.

D. Phản ứng thuận tỏa nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo phản ứng thuận.

Hướng dẫn

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt.

Tỉ khối của hỗn hợp giảm àSố mol của hỗn hợp tăng, khi tăng nhiệt độ phản ứng xảy ra theo chiều nghịch. Hay phản ứng nghịch thu nhiệt và phản ứng thuận tỏa nhiệt.

Đáp án B

Ví dụ 6: Cho phản ứng: N₂O_4(k)  D 2NO_2(k). Hằng số cân bằng của phản ứng thay đổi khi ta thay đổi yếu tố nào sau đây:

            A. Nhiệt độ                 B. Nồng độ N₂O₄        C. Nồng độ NO₂         D. Tỉ lệ nồng độ N₂O₄ và NO₂

Hướng dẫn

Hằng số cân bằng không phụ thuộc vào nồng độ các chất, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Chú ý rằng, nồng độ ảnh hưởng tới trạng thài cân bằng chứ không ảnh hưởng tới hằng số cân bằng. Hằng số cân bằng của một phản ứng là không đổi ở nhiệt độ không đổi.

Đáp án A

Ví dụ 7: Cho các hệ sau:

            (1)  2HI_(k) D H_2(k)  +  I_2(k)                                (2) CaCO_3(r) D CaO_(r)  +  CO_2(k)

            (3) FeO_(r) + CO_(k) D Fe_(r) + CO_2(k)                   (4) 2SO_2(k) + O_2(k) D 2SO_3(k)

            (5) N₂ + 3H₂ D 2NH_3(k)

Khi giảm áp suất của hệ, số cân bằng bị chuyển dịch theo chiều nghịch là:

            A. 3                             B. 1                             C. 2                             D. 4

Hướng dẫn

Khi giảm áp suất của hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất (tăng số mol). Vậy những phản ứng thỏa mãn là: (4) và (5)

Đáp án C

Ví dụ 8: Cho cân bằng sau:    2SO_2(k) + O_2(k) D 2SO_3(k)         ∆H < 0

Hãy cho biết tác động nào sau đây với cân bằng làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận ?

            A. Tăng nhiệt độ                                             B. Tăng áp suất chung của hệ

            C. Tăng thể tích của bình                                D. Tăng nồng độ SO₃

Hướng dẫn

∆H < 0 à Phản ứng thuận tỏa nhiệt, phản ứng nghịch thu nhiệt. Khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt – chiều nghịch (loại A).

Từ công thức pV = nRT, khi tăng thể tích của hệ à áp suất p sẽ giảm, phản ứng xảy ra theo chiều làm tăng áp suất – chiều nghịch (loại C).

Tăng nồng đọ SO₃ phản ứng xảy ra theo chiều giảm nồng độ SO₃ – chiều nghịch (loại D).

Đáp án B

Ví dụ 9: Cho các cân bằng:

(a) COCl_2(k) D CO_(k) + Cl_2(k)     ∆H > 0    (b) CO_(k) + H₂O_(h) D CO_2(k) + H_2(k)       ∆H < 0

(c) N_2(k) + 3H_2(k) D 2NH_3(k)       ∆H < 0   (d) 2SO_3(k) D 2SO_2(k) + O_2(k)                ∆H > 0

(e) N_2(k) + O_2(k) D 2NO_(k)          ∆H > 0    (f) 2NO_2(k) D N₂O_4(k)                           ∆H < 0

Số cân bằng đều bị chuyển dịch theo chiều thuận nếu tăng nhiệt độ và tăng áp suất chung của hệ là:

            A. 0                             B. 3                             C. 1                             D. 4

Hướng dẫn

Khi tăng nhiệt độ phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận à Phản ứng thuận là phản ứng thu nhiệt. Loại các cân bằng (b), (c), (f).

Khi tăng áp suất chung của hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận à chiều thuận là chiều làm giảm số mol khí. Do vậy không có cân bằng nào thỏa mãn.

Đáp án A

Ví dụ 10: Thực hiện phản ứng trong bình kín có dung tích 500 ml với 1 mol N₂, 4 mol H₂ và một ít xúc tác (có thể tích không đáng kể). Khi đạt tới trạng thái cân bằng thì áp suất trong bình bằng 0,8 lần áp suất ban đầu khi chưa xảy ra phản ứng ở cùng nhiệt độ. Hằng số cân bằng của phản ứng N₂ + 3H₂ D 2NH₃ là:

            A. 0,016                                  B. 0,032                      C. 0,128                      D. 0,8

Hướng dẫn

Ở cùng nhiệt độ và thể tích ta luôn có: n_sau/n_đầu = p_sau/p_đầu à n_sau = 0,8.5 = 4,0 (mol)

Xét cân bằng:              N₂        +          3H₂      D         2NH₃

Trước phản ứng:         1 mol               4 mol               -

Phản ứng:                    x                      3x                    2x

Cân bằng:                    1 – x                4 – 3x              2x

Từ đó ta có: 1 – x + 4 – 3x + 2x = 5 – 2x = 4 à x = 0,5

Vậy sau phản ứng ta có: n_N2 = 0,5; n_H2 = 2,5; n_NH3 = 1

Nồng độ tương ứng là: [N₂] = 1; [H₂] = 5; [NH₃] = 2

Hằng số cân bằng: K_C = 2²/(1.5³)  = 0,032

Đáp án B

Ví dụ 11: Cho cân bằng: aA_(k)  +  bB_(k) D dD  +  eE  (với A, B, D, E là ký hiệu chất; a, b, d, e là hệ số nguyên dương của phương trình phản ứng). Ở 105^oC số mol chất E là x mol; ở 180^oC số mol chất E là y mol. Biết rằng x > y và (a + b) > (d + e).

Kết luận nào sau đây đúng ?

            A. Phản ứng thuận tỏa nhiệt và để tăng hiệu suất cần giảm áp suất.

            B. Phản ứng thuận tỏa nhiệt và để tăng hiệu suất cần tăng áp suất.

            C. Phản ứng thuận thu nhiệt và để tăng hiệu suất cần tăng áp suất.

            D. Phản ứng thuận thu nhiệt và để tăng hiệu suất cần giảm áp suất.

Hướng dẫn

Khi tăng nhiệt độ, số mol của E giảm nên phản ứng xảy ra theo chiều nghịch – chiều thu nhiệt. Vậy phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt.

Vì (a + b) > (d + e) – chiều thuận làm giảm số mol khí, nên để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (khi đó hiệu suất sẽ tăng) cần thực hiện biện pháp là tăng áp suất chung của hệ.

Đáp án B