Khái niệm về cân bằng hóa học SVIP

1. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

➤ Khái niệm phản ứng một chiều

Phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo chiều tạo thành sản phẩm, không xảy ra theo chiều ngược lại.

Biểu diễn bằng mũi tên một chiều (→)

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy khí methane trong khí oxygen:

\(CH_4+2O_2\overset{t^{o}}{\rarr}CO_2+2H_2O\)

➤ Khái niệm phản ứng thuận nghịch

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.

Biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều: ⇌

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

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

➤ Khái niệm trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch

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

Ví dụ: Cho phản ứng thuận nghịch sau:

\(N_2\left(g\right)+3H_2\left(g\right)\overset{t^o,xt,p}{⇌}2NH_3\left(g\right)\)

Đồ thị biểu diễn nồng độ các chất phản ứng theo thời gian 

2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát:

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

Biểu thức hằng số cân bằng:

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

Trong đó:

- [A], [B], [C], [D] là nồng độ chất tại trạng thái cân bằng và a, b, c, d là hệ số phản ứng.

- Không biểu diễn nồng độ chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng.

- Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất phản ứng.\(\left\lbrack N_2O_4\right\rbrack\)

Ví dụ: Xét hệ cân bằng của phản ứng sau:

\(2NO_2\left(g\right)\rightleftharpoons N_2O_4\left(g\right)\)

Nồng độ các chất trước và sau khi đạt trạng thái cân bằng:

3. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC

Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là quá trình hệ phản ứng thay đổi từ trạng thái cân bằng ban đầu sang trạng thái cân bằng mới khi bị tác động bên ngoài như thay đổi nồng độ, nhiệt độ hoặc áp suất.

⚡ THÍ NGHIỆM 1

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

\(2NO_2\left(g\right)\rightleftharpoons N_2O_4\left(g\right)\) \(\Delta_{r}H_{298}^{o}<0\)

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.

⚡ THÍ NGHIỆM 2

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng:

\(CH_3COONa+H_2O\rightleftharpoons CH_3COOH+NaOH\) \(\Delta_{r}H_{298}^{o}>0\)

- Cho khoảng 10 gam CH₃COONa và 50 mL nước cất vào bình tam giác. Thêm vài giọt dung dịch phenolphthalein vào lắc đều.

- Chia dung dịch trong cốc vào 2 bình tham giác:

+ Bình 1: Dùng để so sánh.

+ Bình 2: Đun nóng nhẹ.

4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC

"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."

➤ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học

Ví dụ: Xét cân bằng giữa NO₂ (màu nâu đỏ) và N₂O₄ (không màu:

\(2NO_2\left(g\right)\rightleftharpoons N_2O_4\left(g\right)\) \(\Delta_{r}H_{298}^0=-58\) \(kJ\)

- 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.

➤ Ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng hóa học

Ví dụ: Thực hiện phản ứng sau trong xi lanh kín:

\(2NO_2\left(g\right)⇌N_2O_4\left(g\right)\) \(K_C=\dfrac{\left[N_2O_4\right]}{\left[NO_2\right]^2}\)

Đẩy pít tông của xi lanh có chứa khí NO₂ xuống:

- Nếu thay đổi áp suất của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.

- Nếu hai vế có tổng số mol khí bằng nhau hoặc không có chất khí thì cân bằng không bị ảnh hưởng.

➤ Ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng hóa học

Ví dụ: Xét hệ cân bằng sau trong bình kín ở nhiệt độ cao không đổi:

\(C\left(s\right)+CO_2\left(g\right)⇌2CO_2\left(g\right)\) \(K_C=\dfrac{\left[CO\right]^2}{\left[CO_2\right]}\)

- Thêm hoặc bớt chất rắn gần như không ảnh hưởng đến cân bằng của hệ.

- Thay đổi nồng độ một chất sẽ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm tác động đó.