KHÁI NIỆM VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

I. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học

1. Phản ứng một chiều

  Ví dụ: Đốt cháy hidro trong khí clo.

  Phương trình hóa học: H₂ + Cl₂ → 2HCl

* Nhận xét: Phản ứng chỉ ra theo một chiều từ trái sang phải được gọi là phản ứng một chiều. Chất phản ứng biến đổi hoàn toàn thành chất sản phẩm và không xảy ra theo chiều ngược lại.

 

2. Phản ứng thuận nghịch

Ví dụ: Cl₂ + H₂O    HCl + HClO  Ngoài việc: Cl₂ tác dụng với H₂O  tạo ra HCl + HClO (chiều thuận) thì HCl cũng tác dụng với HClO để tạo ra Cl₂ và H₂O.

           

* Nhận xét:  Phản ứng thuận nghịch là loại phản ứng hai chiều (thuận nghịch). Là những phản ứng hóa học trong đó chất phản ứng biến đổi thành chất sản phẩm và đồng thời chất sản phảm lại phản ứng với nhau để biến thành chất tham gia phản ứng. 

 - Chiều mũi tên từ trái sang phải là chiều phản ứng thuận.

 - Chiều mũi tên từ phải sang trái là chiều phản ứng nghịch.

 

3. Cân bằng hóa học

 - Là trạng thái của phản ứng thuận nghịch, ở đó trong cùng một đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử chất sản phẩm được hình thành từ những chất ban đầu thì có bấy nhiêu phân tử chất sản phẩm phản ứng với nhau để tạo thành chất ban đầu. Trạng thái này của phản ứng thuận nghịch được gọi là cân bằng hóa học.

 - Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

 

II. Hằng số cân bằng hóa học

1. Cân bằng trong hệ đồng thể

- Hệ đồng thể là gì?

  Hệ đồng thể là hệ mà các tính chất lí học và hóa học đều như nhau ở mọi vị trí trong hệ.

 Ví dụ: hệ gồm các chất khí và hệ gồm các chất tan trong dung dịch.

- Giả sử có một phản ứng thuận nghịch sau:

                        aA + bB   $\rightleftharpoons$   cC + dD

    A, B, C, D là những chất khí hoặc những chất tan trong dung dịch phản ứng ở trạng thái cân bằng, ta có:

                        K = $\frac{\left[C{]}^c\right[D{]d/[A{]}^a[B{]}^b}^{}}{}$

$\frac{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">[</span></span></span>\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">C</span></span></span>}{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">]</span></span></span>}^{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">c</span></span></span>}}<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">[</span></span></span>\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">D</span></span></span>}{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">]</span></span></span>}^{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">d</span></span></span>}}}{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">[</span></span></span>\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">A</span></span></span>}{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">]</span></span></span>}^{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">a</span></span></span>}}<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">[</span></span></span>\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">B</span></span></span>}{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">]</span></span></span>}^{\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">b</span></span></span>}}}$

   Trong đó: [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol/l của các chất A, B, C và D; a, b, c, d là hệ số các chất trong phương trình phản ứng.

 - Hằng số cân bằng K của phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng.

 - Trường hợp cân bằng được thiết lập giữa các chất khi, người ta có thể thay nồng độ các chất trong biểu thức tính K bằng áp suất riêng phần của hỗn hợp.

 - Mối liên hệ giữa K_p và K_C

     Kp= Kc . (RT)^∆n. ( với ∆n = tổng hệ số cb của chất sp - tổng hệ số cb của chất tham gia )

2. Cân bằng trong hệ dị thể

- Hệ dị thể là gì?

 Hệ dị thể là hệ mà các tính chất lí học hóa học là không giống nhau ở mọi vị trí trong hệ. Thí dụ: hệ gồm chất rắn và chất khí; hệ gồm chất rắn và chất tan trong nước.

- Xét hệ cân bằng sau:

                                  C_(r) + CO_{2 (k)}  $\rightleftharpoons$   2CO _(k)

                                   K =  [CO]²/ [CO₂]

Nồng độ các chất rắn được coi là hằng số.

III. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học

1. Định nghĩa

Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ để chuyển sang một trạng thái cân bằng mới do các yếu tố bên ngoài tác động lên cân bằng.

 

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

a. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatrlier

Các yếu tố nồng độ, áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng đến cân bằng hóa học đã được nhà hóa học Pháp Le Chatrlier tổng kết thành nguyên kí được gọi là nguyên lí Le Chatrlier như sau:

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

* Lưu ý: khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, nếu số mol khí ở 2 vế của phương trình bằng nhau thì khi tăng áp suất cân bằng sẽ không chuyển địch.

 

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng

 

 - Các hằng số K_P, K_C, K_N đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi T thay đổi thì các hằng số cân bằng thay đổi theo.

 

   Ví dụ 1: N_2(k)  +  3H_2(k)  ⇔  2NH_3(k)  ∆H^o = -92,6kJ.

    Vì ∆H⁰ < 0, khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt), nếu nhiệt độ của hệ giảm xuống thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tỏa nhiệt). Như vậy phản ứng tổng hợp amoniac sẽ đạt hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp, tuy nhiên ở nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng xảy ra chậm. Thực tế cần chấp nhận sự dung hòa giữa hiệu suất nhiệt động lực học với yếu tố động học.

 

  Ví dụ 2: Xét phản ứng nung vôi là phản ứng thu nhiệt

    CaCO_3(k)  ⇔  CaO_(r)  +  CO_2(k)  có ∆H^o > 0

 

 - Nếu tăng nhiệt độ của hệ thì cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận (chiều thu nhiệt), ngược lại khi giảm nhiệt độ xuống thì cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt). Vậy để thu được CaO có hiệu suất cao cần nhiệt độ cao.

 

* Nhận xét: một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta thay đổi nhiệt độ của hệ thì cân bằng của phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều của phản ứng nào có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.

 

b. Ảnh hưởng của áp suất đến chuyển dịch cân bằng

Ta có K_P  = K_N. P^∆n

Vì K_P không phụ thuộc vào P, nên khi thay đổi thì K_P = const nên:

 

- Nếu ∆n > 0: khi tăng P → K_N phải giảm (để giữ K_P = const) ⇒ chuyển dịch cân bằng theo chiều nghịch (làm giảm số mol khí) và ngược lại.

 

- Nếu ∆n < 0: khi tăng P → K_N phải tăng (để giữ K_P = const) ⇒ chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận (làm giảm số mol khí) và ngược lại khi giảm P → K_N phải giảm  cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch (làm tăng số mol khí).

 

- Nếu ∆n = 0 ⇒ không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.

 

* Nhận xét: kết quả của sự chuyển dịch cân bằng chống lại sự thay đổi bên ngoài:

 + Nếu P tăng ⇒ cân bằng dịch chuyển theo chiều P giảm (giảm số mol khí ∆n < 0).

 + Nếu P giảm ⇒cân bằng dịch chuyển theo chiều P tăng (tăng số mol khí ∆n > 0).

 

Ví dụ 1: N_2(k)  +  3H_2(k)  ⇔  2NH_3(k)

Có ∆n = 2 – (3 + 1) = -2 < 0 (chiều thuận), chiều nghịch: ∆n > 0.

 

Nếu tăng áp suất chung của hệ P, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận là chiều làm giảm số mol khí, nghĩa là chiều tạo thành NH₃ (hiệu suất phản ứng tăng); nếu ta giảm P thì cân bằng dịch chuyển theo chiều tăng số phân tử khí nghĩa là theo chiều tạo thành N₂ và H₂ nghĩa là hiệu suất phản ứng giảm. Vì vậy trong công nghiệp, phản ứng tổng hợp NH₃ được duy trì ở áp suất 500 – 1000atm và nhiệt độ ở 400 – 500^oC.

 

Ví dụ 2: CO_(k)  +  H₂O_(k)  ⇔ CO_2(k)  +  H_2(k)

Ta có ∆n = (1 + 1) – (1 + 1) = 0 ⇒ P không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.

 

c. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng

 

Xét phản ứng: aA  +  bB  ⇔  cC  +  dD

Có K_C = const ở T = const

 - Nếu tăng [A], [B] cân bằng dịch chuyển theo chiều tăng [C], [D] (để giữ K_C = const) ⇒ cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận làm giảm [A], [B].

 

 - Nếu giảm [A], [B] cân bằng dịch chuyển theo chiều giảm [C], [D] (để giữ K_C = const) ⇒cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch làm tăng [A], [B].

 

 - Tương tự khi tăng nồng độ sản phẩm cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ sản phẩm (chiều nghịch) và làm tăng nồng độ chất tham gia để giữ cho K_C=const, hoặc ngược lại.

 

* Nhận xét: Khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi nồng độ của một trong các chất thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi đó.

 

  Ví dụ: C_(r)  +  CO_2(k)  ⇔ 2CO_(k)

  ở T = const, để giữ cho K_C  = const

 - Nếu ta tăng nồng độ chất tham gia CO₂, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm giảm nồng độ CO₂ và tạo ta thêm CO₂.

 - Nếu ta giảm nồng độ chất tham gia CO₂, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm tăng nồng độ CO₂ và làm giảm bớt CO.

 - Nếu tăng nồng độ CO, cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch làm giảm nồng độ CO và làm tăng thêm nồng độ CO₂ và ngược lại.

3. Vai trò chất xúc tác

- Chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và không làm biến đổi hằng số cân bằng nên không làm cân bằng chuyển dịch.

 

IV. Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học

Dựa vào những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học và cân bằng hóa học để chọn lọc nâng cao hiệu suất trong sản xuất hóa học.

   Ví dụ: trong sản xuất H₂SO₄ phải dùng trục tiếp phản ứng:

                                  2SO_{2 (k)} + O_{2 (k)}  $\rightleftharpoons$   2SO₃      ∆H = -198kJ < 0.

Phản ứng tỏa nhiệt, nên khi tằn nhiệt độ cân bằng chuyển theo chiều nghịch giảm hiệu suất phản ứng. Để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuân người ta tăng nồng độ oxi (dùng lượng dư không khí).

Trung tâm luyện thi - gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng