Cân bằng hóa học

CÂN BẰNG HÓA HỌC

I. Cân bằng hóa học:

1. Phản ứng thuận nghịch:

-         Phản ứng một chiều (phản ứng hoàn toàn): là phản ứng hóa học xảy ra cho đến khi có ít nhất một chất tham gia phản ứng hết.

           TD:                 2KClO₃  2KCl + 3O₂ 

_-          Phản ứng thuận nghịch (phản ứng không hoàn toàn): là phản ứng có thể xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng một điều kiện.

      TD:                    Fe_3O4(r) + 4H₂₍k) ↔3Fe(r) + 4H_2O(k)

Phản ứng theo chiều mũi tên từ trái sang phải được gọi là phản ứng thuận. Phản ứng theo chiều ngược lại được gọi là phản ứng nghịch.

*Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là: không có chất ban đầu nào tham gia phản ứng hết, hỗn hợp phản ứng lúc nào cũng có đủ các chất của phương trình phản ứng, hay nói cách khác phản ứng không có thời điểm kết thúc mà chỉ đạt đến trạng thái cân bằng hóa học.

2. Trạng thái cân bằng hóa học

a. Định nghĩa: Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch tại đó tốc độ phản ứng của hai chiều là bằng nhau hay nồng độ các chất không thay đổi nữa ứng với điều kiện bên ngoài xác định.

TD:     Thí nghiệm 1:                        H₂(k)  +          I₂(k)            2 HI(k)          

Trước phản ứng (mol/l):                  1                      1                  0

Cân bằng (mol/l):                          0,2                      0,2                1,6

            Đến một lúc nào đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch nghĩa là trong một đơn vị thời gian và một đơn vị thể tích có bao nhiêu phân tử HI được tạo thành thì cũng sẽ có bấy nhiêu phân tử HI bị phân hủy, lý luận tương tự cho H₂ và I₂. Do đó nồng độ tất cả các chất không thay đổi nữa, hay tỉ lệ số mol hoặc nồng độ giữa các chất là hằng số(10% H₂, 10%I₂, 80% HI). Hệ đạt đến trạng thái cân bằng. Từ đó dù có để phản ứng diễn ra bao lâu đi nữa tỉ lệ này vẫn không đổi nếu giữ nguyên các điều kiện bên ngoài.

b. Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch:

-         Trong cùng một điều kiện (nhiệt độ, áp suất, chất xúc tác) phản ứng thuận nghịch có thể xảy ra theo cả chiều thuận lẫn chiều nghịch.

-         Trạng thái cân bằng không thay đổi theo thời gian nếu không có điều kiện bên ngoài nào thay đổi.

-         Dù xuất phát từ các chất đầu hay từ các sản phẩm cuối, người ta cũng thu được cùng một kết quả như nhau:

Thí nghiệm 2 (ngược TN1)    2HI(k)                     H₂(k)  +          I₂(k)   

Trước phản ứng (mol/l)            2                                         0                     0

Cân bằng (mol/l)                    1,6                                         0,2                  0,2

                                             80%                                     10%                10%

-         Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái cân bằng động (phản ứng vẫn diễn ra)

-         Trạng thái cân bằng ứng với ΔG = 0

II. Hằng số cân bằng

Xét phản ứng đồng thể đơn giản tổng quát:         aA + bB ⇄ cC + dD

- Khi hệ đạt trạng thái cân bằng:    v­_t = v_n                                       

            Với k_t, k_n là hằng số tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch.

            - Vì k_t và k_n là những hằng số ở nhiệt độ xác định nên K_c cũng là hằng số ở nhiệt độ xác định. Hằng số K_c được gọi là hằng số cân bằng biểu diễn theo nồng độ.

            - Trường hợp cân bằng được thiết lập giữa các chất khí, ta có thể thay nồng độ các chất bằng áp suất riêng phần của các chất đó trong biểu thức tính hằng số cân bằng:            

            => K_p = K_c (RT)^∆n   Trong đó:     Δn = ∑n _{khí(sản phẩm)} - ∑n _{khí(chất đầu)}

                                                                   R = 0,082 ℓ.atm/mol⁰K

=> Khi Δn = 0 ( phản ứng không có chất khí hoặc số mol khí không đổi) thì K_p = K_c

TD: Ở 375⁰C, phản ứng thuận nghịch dưới đây có hằng số cân bằng:

                                         N₂ (k) + 3H₂ (k) ⇄ 2NH₃ (k) , K_p = 4,3.10^-4

Nồng độ ban đầu(M):       1                3

Xác định nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng ?

Giải:

Tính hằng số cân bằng theo nồng độ:

K_c = K_p (RT)^-∆n  = 4,3.10^-4 (0,082.(375+273))^-(2-(1+3)) = 1,214

            Thiết lập 3 dòng:

                                                      N₂ (k) + 3H₂ (k) ⇄ 2NH₃ (k) 

Ban đầu (M):                                   1               3                   0

Phản ứng:                                        x             3x                  2x

Cân bằng:                                     1-x           3-3x               2x

Tại cân bằng, quan hệ được thiết lập:

                 (Điều kiện: 0 < x < 1 )

Nghiệm phù hợp của phương trình trên là x = 0,558.

Vậy nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng là:

[N₂] = 1 – x               =          0,4420    M

[H₂] = 3 – 3x                         =          1,3260    M

[NH₃] = 2x                 =          1,1160    M

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học:

1. Sự chuyển dịch cân bằng:

Nếu hệ đang ở trạng thái cân bằng mà ta thay đổi một trong các thông số trạng thái của hệ (p, C, T…) thì nói chung hệ thức trên sẽ thay đổi () và hệ sẽ trở nên không cân bằng, tức là v_t  v_n. Phản ứng xảy ra (theo chiều thuận hoặc chiều nghịch) cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng mới, tương ứng với các điều kiện mới.

Sự chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác dưới ảnh hưởng của tác động bên ngoài lên hệ được gọi là sự chuyển dịch cân bằng.

2. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Châtelier (1850 – 1936)

            Một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta thay đổi một trong các thông số trạng thái của hệ (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào có tác dụng chống lại sự thay đổi trên.

a. Ảnh hưởng của nồng độ tới sự chuyển dịch cân bằng

Xét phản ứng:           Fe³⁺ + 3SCN^- ⇄ Fe(SCN)₃            

                                                                        Đỏ                  

  Khi hệ đạt trạng thái cân bằng:            v_t  = v_n

  Nếu tăng nồng độ Fe³⁺ lên 2 lần:                                                                            

         Khi tăng nồng độ Fe³⁺, v_t tăng lên làm tăng nồng độ của Fe(SCN)₃ (màu đỏ của dung dịch đậm hơn) → cân bằng đã chuyển dịch theo chiều thuận → nồng độ Fe³⁺ ↓.

Như vậy:

Một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta làm tăng nồng độ của chất nào lên thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm nồng độ của chất đó xuống và ngược lại.

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự chuyển dịch cân bằng

            Dựa vào hệ thức:       

Ta thấy rằng biến đổi của hằng số cân bằng theo nhiệt độ được quyết định bởi dấu của DH⁰.

ü  Nếu DH⁰ > 0 (phản ứng thu nhiệt), khi T ↑ → → Khi T ↑: k_t tăng mạnh hơn k_n, nghĩa là v_t > v_n và cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều của phản ứng thu nhiệt). Ngược lại, khi giảm nhiệt độ, K giảm, nghĩa là cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều của phản ứng tỏa nhiệt).

 Nếu DH⁰ < 0 (phản ứng tỏa nhiệt), khi T ↑ →  → Khi T ↑: k_n tăng mạnh hơn k_t, nghĩa là v_n > v_t và cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều của phản ứng thu nhiệt). Ngược lại, khi giảm nhiệt độ, K tăng, nghĩa là cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận (chiều của phản ứng tỏa nhiệt).

         →  Một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu tăng nhiệt độ của hệ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng thu nhiệt và ngược lại.

 TD: Xét cân bằng :       2NO₂(k)       ⇄          N₂O₄(k) ,DH⁰ = -58,04kJ

                                                            Màu nâu                     không màu    

         Ở 298⁰K ta có K_p = 8,9, nghĩa là    

         Khi làm lạnh hỗn hợp cân bằng đó bằng cách nhúng bình đựng hỗn hợp vào nước đá, màu nâu nhạt đi vì cân bằng đã dịch chuyển về phía tạo thành phân tử N₂O₄ không mà

         Như vậy ở 0⁰C, tỷ lệ N₂O₄ trong hỗn hợp tăng lên so với khi ở 25⁰C.

=> Như vậy đối với 2 yếu tố nồng độ và nhiệt độ ta có thể tóm tắt theo sơ đồ sau:

                               Q   +   A   +   B     ⇄    C   +   D    +   Q

c. Ảnh hưởng của áp suất tới sự chuyển dịch cân bằng

Giả sử có một hệ phản ứng gồm các chất khí ở trạng thái cân bằng:

Ví dụ:                                     2NO(k)+ O₂(k)⇄ 2NO₂(k)                                                                

  Lúc cân bằng có: v_t = v_n

Khi tăng áp suất chung của hệ lên 2 lần bằng cách giảm thể tích xuống một nửa, nồng độ các chất đều tăng gấp đôi. Lúc này                                

         → Khi tăng áp suất chung của hệ lên 2 lần, , cân bằng chuyển dịch về bên phải → tạo thêm NO₂ → tổng số phân tử trong hỗn hợp ↓ → áp suất chung của hệ ↓.

 Ngược lại, khi giảm áp suất chung của hệ xuống 2 lần bằng cách tăng thể tích lên gấp đôi. Lập luận tương tự ta thấy cân bằng dịch chuyển về phía phân hủy NO₂ thành NO và O₂, phía làm tăng áp suất của hệ.

Như vậy:

• Một hệ phản ứng của các chất khí đang ở trạng thái cân bằng, nếu tăng áp suất chung của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào có tác dụng làm giảm số mol khí của hệ và ngược lại.
• Đối với các phản ứng không có chất khí (ở trạng thái dung dịch hoặc rắn) hoặc có chất khí nhưng số mol khí không đổi thì sự thay đổi áp suất ( hoặc thể tích) không làm ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng.