Mở đầu về cân bằng hóa học SVIP

I. KHÁI NIỆM PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng hóa học xảy ra theo hai chiều ngược nhau, trong đó các chất ban đầu phản ứng tạo thành sản phẩm (chiều thuận), đồng thời sản phẩm cũng có thể biến đổi ngược lại thành chất ban đầu (chiều nghịch) trong cùng điều kiện.

Ví dụ: Ở nhiệt độ 445 ^oC, xảy ra phản ứng thuận nghịch giữa H₂ và I₂:

\(H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)\rightleftharpoons2HI\left(g\right)\)

Phản ứng giữa H₂ và I₂ là phản ứng đơn giản nên viết được biểu thức tốc độ theo định luật tác dụng khối lượng như sau:

\(v_{t}=k_{t}.C_{H_2}.C_{I_2}\)

\(v_{n}=k_{n}.C_{HI}^2\)

Ban đầu chỉ có H₂ và I₂ nên tốc độ phản ứng thuận lớn nhất còn tốc độ phản ứng nghịch bằng 0.

Sau đó, HI được tạo ra nên tốc độ phản ứng nghịch tăng lên, tốc độ phản ứng thuận giảm do nồng độ H₂ và I₂ giảm.

Khi tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch thì phản ứng đạt trạng thái cân bằng.

\(v_{t}=v_{n}\)

⇒ \(\frac{\left\lbrack HI\right\rbrack^2}{\left\lbrack H_2\right\rbrack\left\lbrack I_2\right\rbrack}=\frac{k_{t}}{k_{n}}\)

Tại một nhiệt độ nhất định, giá trị của biểu thức trên là một hằng số.

Phản ứng thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

Cân bằng hóa học là cân bằng động vì phản ứng vẫn tiếp diễn theo hai chiều.

II. BIỂU THỨC HẰNG SỐ CÂN BẰNG VÀ Ý NGHĨA

1. Biểu thức hằng số cân bằng

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát:

\(aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\)

Biểu thức hằng số cân bằng:

\(K_C=\dfrac{\left[C\right]^c\left[D\right]^d}{\left[A\right]^a\left[B\right]^b}\)

Giá trị K_C chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất phản ứng.

Lưu ý: Chỉ đưa vào biểu thức cân bằng nồng độ của chất khí hoặc chất tan trong dung dịch ở trạng thái cân bằng.

Ví dụ: Xét phản ứng thuận nghịch: 

\(H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)\rightleftharpoons2HI\left(g\right)\)

Biểu thức hằng số cân bằng:

\(K_C=\dfrac{\left[HI\right]^2}{\left[H_2\right]\left[I_2\right]}\)

2. Ý nghĩa của biểu thức hằng số cân bằng

- Dựa vào hằng số cân bằng có thể tính được nồng độ các chất tại trạng thái cân bằng.

- Dự đoán mức độ xảy ra của phản ứng thuận:

+ K_C >> 1: Phản ứng thuận xảy ra gần như hoàn toàn, hỗn hợp cân bằng chủ yếu là sản phẩm.

+ K_C << 1: Phản ứng thuận xảy ra không đáng kể, hỗn hợp cân bằng chủ yếu là chất ban đầu.

Ví dụ: Khi tổng hợp ammonia ở 472 ^oC, xảy ra phản ứng thuận nghịch như sau:

\(N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\rightleftharpoons2NH_3\left(g\right)\) \(K_{C}=0,1050\)

Vì K_C < 1 nên tại cân bằng hỗn hợp còn nhiều N₂ và H₂. Để tăng hiệu suất, người ta dùng xúc tác, tăng áp suất và tách NH₃ ra khỏi hệ phản ứng.

III. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, NỒNG ĐỘ VÀ ÁP SUẤT ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cân bằng hóa học

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

- Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt.

⚡ THÍ NGHIỆM 1

Xét phản ứng thuận nghịch:

\(2NO_2\left(g\right)\rightleftharpoons N_2O_4\left(g\right)\) \(\Delta_{r}H_{298}^{o}=-58\) \(kJ\)

Chuẩn bị 3 ống nghiệm có chứa khí NO₂:

- Ống nghiệm (1): dùng để so sánh.

- Ống nghiệm (2): ngâm trong cốc nước đá.

- Ống nghiệm (3): ngâm trong cốc nước nóng.

Nhận xét:

- Phản ứng tạo N₂O₄ có \(\Delta_{r}H_{298}^{o}<0\) nên là phản ứng tỏa nhiệt.

- Khi thay đổi nhiệt độ, trạng thái cân bằng của phản ứng bị dịch chuyển.

+ Khi giảm nhiệt độ, phản ứng chuyển dịch theo chiều tạo ra N₂O₄ nên dung dịch có màu nhạt hơn.

+ Khi tăng nhiệt độ, phản ứng chuyển dịch theo chiều tạo ra khí NO₂ nên hỗn hợp có màu nâu đậm hơn.

⚡ THÍ NGHIỆM 2

Xét phản ứng thuận nghịch:

\(CH_3COO^{-}+H_2O\rightleftharpoons CH_3COOH+OH^{-}\)

Chuẩn bị 2 ống nghiệm chứa 5 mL dung dịch CH₃COONa (nồng độ bằng nhau) và vài giọt phenolphthalein.

- Ống nghiệm (1): dùng để so sánh.

- Ống nghiệm (2): ngâm trong cốc nước nóng.

2. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng le Chatelier

"Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động bên ngoài làm thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó."

- Nguyên lí Le Chatelier áp dụng cho các hệ cân bằng chịu tác động của nhiệt độ, áp suất (với phản ứng có chất khí) và nồng độ.

- Chất xúc tác tăng tốc độ cả hai chiều nên không làm chuyển dịch cân bằng.

Ví dụ: Trong quá trình hô hấp ở người:

\(Hb\left(aq\right)+O_2\left(g\right)\rightleftharpoons HbO_2\left(aq\right)\)

Khi người ở nơi thiếu oxygen, nồng độ O₂ thấp nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch dẫn đến khó thở, thiếu oxygen trong máu.

Ví dụ: Quá trình nung vôi:

\(CaCO_3\left(s\right)\rightleftharpoons CaO\left(s\right)+CO_2\left(g\right)\) \(\Delta_{r}H_{298}^{o}=179,2\) \(kJ\)

Để tăng hiệu suất của quá trình nung vôi, ta cần tăng nhiệt độ và loại bỏ khí CO₂ ra khỏi hệ sẽ để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

Ví dụ: Tổng hợp methanol trong công nghiệp:

\(CO\left(g\right)+2H_2\left(g\right)\rightleftharpoons CH_3OH\left(g\right)\)

Tăng áp suất sẽ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận giúp tăng hiệu suất tạo methanol.