Trả lời nhanh
Hiện tượng khí NO2 (màu nâu đỏ) liên tục chuyển thành khí N2O4 (không màu) và ngược lại trong cùng một điều kiện là phản ứng thuận nghịch. Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, hệ đạt trạng thái cân bằng hoá học: 2NO2 ⇌ N2O4. Lúc đó màu hỗn hợp không đổi dù phản ứng vẫn diễn ra.
Phản ứng xảy ra như thế nào?
Hai chất trong hệ chuyển hoá qua lại theo một phương trình duy nhất:
2NO2(k, nâu đỏ) ⇌ N2O4(k, không màu) ΔH < 0 (khoảng −57 kJ cho phản ứng thuận)
- Chiều thuận: hai phân tử NO2 kết hợp thành một phân tử N2O4, màu nhạt dần, phản ứng toả nhiệt.
- Chiều nghịch: N2O4 phân huỷ thành NO2, màu đậm dần, phản ứng thu nhiệt.
Mũi tên hai chiều ⇌ cho biết cả hai quá trình cùng xảy ra, không có chất nào hết hẳn.
Vì sao gọi là cân bằng hoá học?
Ban đầu nếu chỉ có NO2, phản ứng thuận chiếm ưu thế. Khi N2O4 tạo ra nhiều lên, phản ứng nghịch tăng tốc. Đến lúc vthuận = vnghịch, nồng độ mỗi khí không đổi theo thời gian.
Đây là cân bằng động: các phân tử vẫn biến đổi qua lại, chỉ là số phân tử mất đi và sinh ra bằng nhau. Hằng số cân bằng:
KC = [N2O4] / [NO2]2
Màu hỗn hợp thay đổi ra sao khi đổi điều kiện?
Dựa vào nguyên lí Le Chatelier (cân bằng chuyển dịch theo hướng chống lại tác động bên ngoài), ta dự đoán được màu:
| Tác động | Cân bằng chuyển dịch | Màu hỗn hợp |
|---|---|---|
| Tăng nhiệt độ | Chiều nghịch (thu nhiệt) | Đậm hơn |
| Giảm nhiệt độ (ngâm nước đá) | Chiều thuận (toả nhiệt) | Nhạt hơn |
| Tăng áp suất (nén) | Chiều thuận (3 → 1 phân tử khí: 2 mol → 1 mol) | Thoạt đầu đậm lên do nồng độ tăng, sau đó nhạt dần |
| Giảm áp suất (giãn) | Chiều nghịch (nhiều mol khí hơn) | Thoạt đầu nhạt đi, sau đó đậm dần |
| Thêm chất xúc tác | Không chuyển dịch | Không đổi, chỉ đạt cân bằng nhanh hơn |
Thí nghiệm quen thuộc trong bài học
Người ta cho hai ống nghiệm kín chứa hỗn hợp NO2/N2O4. Một ống ngâm vào nước nóng, một ống ngâm vào nước đá.
- Ống trong nước nóng: màu nâu đỏ đậm lên.
- Ống trong nước đá: màu nhạt đi, gần như không màu.
Kết quả này chứng tỏ chiều thuận toả nhiệt và phản ứng thuận nghịch thật sự.
Lỗi sai thường gặp
- Nhầm “cân bằng” với “phản ứng dừng lại”. Ở trạng thái cân bằng phản ứng vẫn xảy ra, chỉ có nồng độ là không đổi.
- Nhầm màu ngay sau khi nén với màu khi cân bằng mới: nén làm nồng độ NO2 tăng nên đậm lên trước, rồi mới nhạt dần.
- Nghĩ xúc tác làm chuyển dịch cân bằng. Xúc tác tăng tốc độ cả hai chiều như nhau.
- Quên so sánh số mol khí hai vế (2 mol ở vế trái, 1 mol ở vế phải) khi xét ảnh hưởng của áp suất.
Mẹo nhớ: NO2 nâu đỏ – nóng thì đậm, lạnh thì nhạt; nén thì về N2O4.
Bài luyện tập
Bài 1. Ở một nhiệt độ nào đó, tại cân bằng [NO2] = 0,02 M và [N2O4] = 0,04 M (số liệu tự đặt làm ví dụ). Tính KC.
Giải: KC = 0,04 / (0,02)2 = 0,04 / 0,0004 = 100.
Bài 2. Giảm áp suất chung của hệ ở nhiệt độ không đổi thì màu hỗn hợp cuối cùng thay đổi thế nào?
Giải: Giảm áp suất làm cân bằng chuyển về phía có nhiều mol khí hơn, tức chiều nghịch tạo NO2. Sau khi đạt cân bằng mới, màu đậm hơn so với tỉ lệ ban đầu của hệ (xét cùng lượng khí).
Bài 3. Đun nóng hệ cân bằng thì tỉ khối của hỗn hợp so với H2 tăng hay giảm?
Giải: Đun nóng, cân bằng chuyển về chiều nghịch, số mol khí tăng, khối lượng không đổi nên khối lượng mol trung bình giảm, do đó tỉ khối so với H2 giảm.
Câu hỏi thường gặp
Khí nào có màu nâu đỏ trong cặp NO2 và N2O4?
NO2 là khí màu nâu đỏ, có mùi hắc và độc. N2O4 là khí không màu, tồn tại cân bằng với NO2 trong hỗn hợp.
Vì sao làm lạnh hỗn hợp NO2 và N2O4 thì màu nhạt đi?
Chiều thuận 2NO2 → N2O4 toả nhiệt. Khi hạ nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận nên NO2 giảm, N2O4 tăng và màu nhạt dần.
Cân bằng 2NO2 ⇌ N2O4 có phải đã dừng phản ứng không?
Không. Đây là cân bằng động: phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra với tốc độ bằng nhau nên nồng độ các khí không đổi.
Tăng áp suất có làm màu hỗn hợp đậm hơn không?
Ngay khi nén, màu đậm lên do nồng độ NO2 tăng. Sau đó cân bằng chuyển về phía tạo N2O4 (ít mol khí hơn) nên màu nhạt dần, nhưng vẫn đậm hơn lúc đầu.