Giáo án Bài 1. Khái niệm về cân bằng hoá học

Tạo tình huống có vấn đề, gợi nhu cầu tìm hiểu về trạng thái cân bằng và sự chuyển dịch cân bằng khi điều kiện áp suất thay đổi.

GV đưa ra câu hỏi: Vì sao khi mở nắp chai nước ngọt có gas thì thấy sủi bọt mạnh? Yêu cầu HS dự đoán nguyên nhân dựa trên kiến thức đã biết và ghi lại dự đoán vào vở.
HS trả lời tự do, sau đó GV chiếu công thức cân bằng $\mathrm{CO_2(aq) \rightleftharpoons CO_2(g)}$ và nêu câu hỏi: Khi mở nắp, áp suất khí CO₂ trên mặt chất lỏng thay đổi thế nào? Cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?

Dự đoán ban đầu của HS và kết luận định hướng: khi mở nắp, áp suất khí CO₂ trên mặt chất lỏng giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo CO₂(g), khí thoát ra làm nước sủi bọt. Đây là cơ sở để học bài mới về cân bằng hoá học và nguyên lí Le Chatelier.

Phân biệt phản ứng một chiều và thuận nghịch; nêu được trạng thái cân bằng động; viết được biểu thức $K_C$ cho phản ứng thuận nghịch.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 1. Nhóm quan sát mô phỏng NeoEdu: bình vừa nạp NO₂ nâu đỏ đặt trong bể 25 °C, theo dõi màu khí thay đổi theo thời gian. Từ đó trả lời các câu hỏi về tốc độ thuận, tốc độ nghịch và trạng thái cân bằng.
Sau đó nhóm viết biểu thức $K_C$ cho ba phản ứng: $\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)}$; $\mathrm{N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)}$; $\mathrm{CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)}$ (chất rắn không có mặt trong biểu thức).

Kết luận của HS: (1) Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra đồng thời theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện; (2) Ở cân bằng, tốc độ thuận bằng tốc độ nghịch khác không, nồng độ các chất không đổi nhưng không nhất thiết bằng nhau; (3) Biểu thức: $K_C=\dfrac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$; $K_C=\dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$; $K_C=[CO_2]$. (4) Hằng số $K_C$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất phản ứng.

Vận dụng được nguyên lí Le Chatelier để dự đoán chiều chuyển dịch cân bằng khi thay đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ; phân biệt được vai trò của xúc tác.

HS làm việc theo nhóm với Phiếu học tập số 2. Nhóm quan sát mô phỏng: bình NO₂ đặt trong bể 0 °C (nhạt dần, cân bằng dịch sang phải) và bình đặt trong bể 80 °C (đậm dần, cân bằng dịch sang trái). GV dùng mô phỏng để minh hoạ, không thao tác với khí NO₂ thật.
Nhóm điền bảng phân tích các tác động lên cân bằng $\mathrm{N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)}$ (toả nhiệt) và cân bằng $\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)}$.

Kết luận của HS: (1) Thêm chất phản ứng làm cân bằng chuyển theo chiều tiêu thụ chất đó; (2) Nén hệ khí ở T không đổi chuyển dịch về phía ít mol khí hơn; với $\mathrm{H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI}$ nén không chuyển dịch; (3) Tăng nhiệt độ ưu tiên chiều thu nhiệt, với N₂ + 3H₂ là chiều nghịch; (4) Xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng, chỉ làm nhanh đạt cân bằng; (5) Thêm khí trơ ở thể tích không đổi không làm đổi nồng độ các chất phản ứng nên không chuyển dịch. Mô phỏng 0 °C: cân bằng dịch sang phải (tạo N₂O₄, toả nhiệt); 80 °C: dịch sang trái.

Củng cố khái niệm cân bằng động, biểu thức $K_C$ và các tác động làm chuyển dịch cân bằng qua bài tập trắc nghiệm nhanh.

HS làm nhanh ba câu trắc nghiệm, GV kiểm tra bằng giơ thẻ hoặc phiếu nhanh:
Câu 1: Ở cân bằng hoá học, đại lượng nào bằng nhau? A. Nồng độ mọi chất; B. Tốc độ thuận và nghịch; C. Số mol hai vế; D. Khối lượng các chất.
Câu 2: $K_C$ của $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$ là biểu thức nào? A. $\dfrac{[NH_3]}{[N_2][H_2]}$; B. $\dfrac{[N_2][H_2]^3}{[NH_3]^2}$; C. $\dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$; D. $\dfrac{2[NH_3]}{[N_2]3[H_2]}$.
Câu 3: Những tác động nào làm cân bằng $\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)}$ chuyển theo chiều thuận ở cùng nhiệt độ? A. Thêm H₂; B. Lấy bớt HI; C. Thêm xúc tác; D. Nén đẳng nhiệt.

Đáp án: Câu 1: B (hai tốc độ bằng nhau, nồng độ từng chất không đổi nhưng không buộc bằng nhau). Câu 2: C (số mũ là hệ số 2, 1, 3). Câu 3: A, B (thêm chất đầu hoặc lấy bớt sản phẩm ưu tiên chiều thuận; nén không chuyển dịch vì hai vế đều có 2 mol khí; xúc tác không làm chuyển dịch). HS ghi đúng ít nhất 2/3 câu được tính đạt.

Tính được $K_C$ từ nồng độ cân bằng, tính được $K_C$ của phản ứng nghịch và xác định đúng sai các phát biểu về cân bằng.

HS làm việc cặp đôi với ba bài tập:
Bài 1: Ở cân bằng $\mathrm{H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI}$ có $[H_2]=[I_2]=0{,}10$ mol/L, $[HI]=0{,}40$ mol/L. Tính $K_C$.
Bài 2: Một phản ứng có $K_C=4$. Tính hằng số của phản ứng nghịch ở cùng nhiệt độ.
Bài 3: Xét $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$, chiều thuận toả nhiệt. Xác định đúng (Đ) hoặc sai (S): a) Nén ở T không đổi thuận lợi chiều tạo NH₃; b) Tăng nhiệt độ làm $K_C$ không đổi; c) Xúc tác không làm đổi thành phần cân bằng; d) Cân bằng nghĩa là hai phản ứng dừng lại.

Đáp án: Bài 1: $K_C=\dfrac{0{,}40^2}{0{,}10 \times 0{,}10}=16$. Bài 2: $K_{nghịch}=\dfrac{1}{4}=0{,}25$. Bài 3: a) Đ (nén ưu tiên chiều 2 mol khí thay vì 4 mol); b) S (tăng nhiệt độ làm $K_C$ đổi); c) Đ (xúc tác chỉ đổi tốc độ); d) S (hai phản ứng vẫn xảy ra, tốc độ bằng nhau). Mỗi bài HS trình bày đầy đủ các bước: viết biểu thức, thay số, kết luận.

Vận dụng kiến thức cân bằng hoá học để giải thích lựa chọn điều kiện trong sản xuất và xử lí tình huống có thêm khí trơ; có thể mở rộng về nhà.

Nhóm 4 người nhận hai tình huống:
Tình huống 1: Trong công nghiệp tổng hợp ammonia, $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$ (toả nhiệt), vì sao không chọn nhiệt độ thấp tuỳ ý dù cân bằng ưu tiên NH₃ ở nhiệt độ thấp? Nêu vai trò của áp suất và xúc tác.
Tình huống 2: Bài 8 - Trong bình thể tích không đổi đã cân bằng $\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)}$, thêm khí trơ ở cùng nhiệt độ. Có chuyển dịch cân bằng không? Giải thích.
Sau đó các nhóm trả lời câu hỏi: Hiện tượng nước ngọt có gas sủi bọt được giải thích như thế nào theo nguyên lí Le Chatelier?

Kết luận của nhóm: (1) Tình huống 1: Nhiệt độ thấp làm cân bằng dịch về NH₃ nhưng làm phản ứng chậm; nên công nghiệp chọn điều kiện dung hoà về nhiệt độ, áp suất và dùng xúc tác để đạt tốc độ và lượng NH₃ hợp lí. Áp suất cao thuận lợi chiều ít mol khí hơn; xúc tác làm nhanh đạt cân bằng, không đổi lượng NH₃ cân bằng. (2) Tình huống 2: Không chuyển dịch. Số mol H₂, I₂, HI và thể tích không đổi nên nồng độ không đổi; $Q_C$ vẫn bằng $K_C$ dù áp suất tổng tăng; không suy luận chỉ từ áp suất tổng. (3) Gas: khi mở nắp, áp suất CO₂ giảm, cân bằng dịch sang chiều tạo CO₂(g) nên khí thoát ra.