Bài 3.13 trang 12, 13 SBT Hóa 11 - Kết nối tri thức: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?...

Cho cân bằng hoá học sau:\[{{\rm{N}}_2}\left( g \right){\rm{ }} + {\rm{ }}3{{\rm{H}}_2}\left( g \right) \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} 2{\rm{N}}{{\rm{H}}_3}\left( g \right){\rm{ }}{\Delta _{\rm{r}}}{\rm{H}}_{298}^0 = - 92{\rm{ kJ}}\]

Cho 3,0 mol khí hydrogen và 1,0 mol khí nitrogen vào một bình kín dung tích 10 lít, có bột iron xúc tác, giữ bình ở 450 °C. Ở trạng thái cân bằng có 20% chất đầu chuyển hoá thành sản phẩm.

a) Xác định số mol các chất ở trạng thái cân bằng.

b) Tính hằng số cân bằng của phản ứng ở nhiệt độ trên.

c) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?

Phương pháp giải :

Tổng quát, nếu có phản ứng thuận nghịch sau:aA+bB \[ \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} \] cC +dD

Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, ta có: \[{{\rm{K}}_{\rm{C}}}{\rm{ = }}\frac{{{{{\rm{[C]}}}^{\rm{c}}}{{{\rm{[D]}}}^{\rm{d}}}}}{{{{{\rm{[A]}}}^{\rm{a}}}{{{\rm{[B]}}}^{\rm{b}}}}}\]

Trong đó [A], [B], [C] và [D] là nồng độ mol các chất A, B, C và D ở trạng thái cân bằng; a, b, c và d là hệ số tỉ lượng các chất trong phương trình hoá học. Chất rắn không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng.

Nguyên lý Le Chatelier: 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 đó.

Lời giải chi tiết:

a) Ở trạng thái cân bằng có 20% chất đầu chuyển hoá thành sản phẩm, do đó các chất phản ứng có số mol như sau: \[{{\rm{n}}_{{{\rm{N}}_{\rm{2}}}}} = 1 \times \frac{{20}}{{100}} = 0,2{\rm{ (mol); }}{{\rm{n}}_{{{\rm{H}}_{\rm{2}}}}} = 3 \times \frac{{20}}{{100}} = 0,6{\rm{ (mol)}}\]

Xét cân bằng hóa học:

\[{{\rm{N}}_2}\left( g \right){\rm{ }} + {\rm{ }}3{{\rm{H}}_2}\left( g \right){\rm{ }} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} {\rm{ }}2{\rm{N}}{{\rm{H}}_3}\left( g \right){\rm{ }}\]

Ban đầu (mol): 1 3 0

Phản ứng (mol): 0,2 0,6 0,2

Cân bằng (mol): 0,8 2,4 0,2

\[ \Rightarrow {\rm{[}}{{\rm{N}}_2}{\rm{] = }}\frac{{0,8}}{{10}}{\rm{ = 0,08 (M); [}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{] = }}\frac{{2,4}}{{10}}{\rm{ = 0,24 (M); [N}}{{\rm{H}}_3}{\rm{] = }}\frac{{0,4}}{{10}}{\rm{ = 0,04 (M)}}\]

b) Ở 450 °C, \[{{\rm{K}}_{\rm{C}}}{\rm{ = }}\frac{{{{{\rm{[N}}{{\rm{H}}_3}{\rm{]}}}^2}}}{{{\rm{[}}{{\rm{N}}_2}{\rm{][}}{{\rm{H}}_2}{{\rm{]}}^3}}} = \frac{{0,{{04}^2}}}{{0,08.0,{{24}^3}}} \approx 1,45{\rm{ }}\]

c) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ (chiều thu nhiệt), cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.