Bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học

I. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

1. Phản ứng một chiều 

\(NaOH\)  +  \(HCl\)   \(\rightarrow\)  \(NaCl+H_2O\)

Phương trình hoá học của phản ứng một chiều được biểu diễn bằng một mũi tên (\(\rightarrow\)) chỉ chiều phản ứng.

2. Phản ứng thuận nghịch

Như vậy, khí \(H_2\) tác dụng với \(I_2\) tạo thành \(HI\), đồng thời \(HI\) lại phân huỷ thành \(H_2\) và \(I_2\). Phản ứng giữa \(H_2\) và \(I_2\) trong điều kiện trên được gọi là phản ứng thuận nghịch và được biểu diễn bằng phương trình hoá học:

\(H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)⇌2HI\left(g\right)\)

Phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau (\(⇌\)). Chiều từ trái sang phải là chiều phản ứng thuận, chiều từ phải sang trái là chiều phản ứng nghịch. 

Các phản ứng thuận nghịch xảy ra không hoàn toàn.

II. Cân bằng hoá học

Xét phản ứng thuận nghịch: \(H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)⇌2HI\left(g\right)\)

• Tốc độ phản ứng thuận:       \(\nu_t=k_tC_{H_2}C_{I_2}\)
• Tốc độ phản ứng nghịch:     \(\nu_n=k_nC_{HI}^2\)

Tại thời điểm ban đầu:

        \(C_{HI}=0\); do vậy, ban đầu \(\nu_n=0\).

        \(C_{H_2};C_{I_2}\) là lớn nhất nên \(\nu_t\) là lớn nhất.

Sau khi trộn:

        \(C_{HI}\) tăng; do vậy, \(\nu_n\) tăng dần.

        \(C_{H_2};C_{I_2}\) giảm dần nên \(\nu_t\) là giảm dần.

Sau một khoảng thời gian nhất định, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

                                 \(\nu_t=\nu_n\)    

               \(\Rightarrow \)   \(k_tC_{H_2}C_{I_2}=k_nC_{HI}^2\)

               \(\Rightarrow \)     \(\dfrac{C_{HI}^2}{C_{H_2}C_{I_2}}=\dfrac{k_t}{k_n}\)

2. Hằng số cân bằng

a) Biểu thức của hằng số cân bằng 

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát:    

\(aA+bB⇌cC+dD\)

Ở trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng (\(K_C\)) của phản ứng được xác định theo biểu thức:

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

Trong đó: [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol của các chất A, B, C, D ở trạng thái cân bằng; a, b, c, d là hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình hóa học của phản ứng.

Hằng số cân bằng \(K_C\) của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của các chất trong cân bằng (bản chất của phản ứng), không phụ thuộc nồng độ ban đầu của các chất.

Đối với các phản ứng có chất rắn tham gia, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng. 

\(C\left(s\right)+CO_2\left(g\right)⇌2CO\left(g\right)\)

\(K_C=\dfrac{\left[CO\right]^2}{\left[CO_2\right]}\)

b) Ý nghĩa của hằng số cân bằng 

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng hoá học

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 

Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sự chuyển dịch cân bằng  
               \(2NO_2\left(g\right)\)      \(⇌\)       \(N_2O_4\left(g\right)\)                      \(\Delta_rH_{298}^o< 0\)
               Nâu đỏ                Không màu

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng \(2NO_2\left(g\right)⇌N_2O_4\left(g\right)\)

Tác động	Hiện tượng	Chiều chuyển dịch cân bằng	Chiều chuyển dịch cân bằng
Tăng nhiệt độ	Hỗn hợp có màu nâu đậm hơn	Nghịch	Thu nhiệt
Giảm nhiệt độ	Hỗn hợp nhạt màu	Thuận	Toả nhiệt

Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sự chuyển dịch cân bằng  
               \(CH_3COONa\)   +   \(H_2O\)     \(⇌\)     \(CH_3COOH\)   +    \(NaOH\)                   \(\Delta_rH_{298}^o>0\)
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển dịch cân bằng \(CH_3COONa+H_2O⇌CH_3COOH+NaOH\)

Tác động	Hiện tượng	Chiều chuyển dịch cân bằng	Chiều chuyển dịch cân bằng
Tăng nhiệt độ	Hỗn hợp có màu đậm hơn	Thuận	Thu nhiệt
Giảm nhiệt độ	Hỗn hợp nhạt màu	Nghịch	Toả nhiệt

2. Ảnh hưởng của nồng độ

Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của nồng độ đến sự sự chuyển dịch cân bằng  
               \(CH_3COONa\)   +   \(H_2O\)     \(⇌\)     \(CH_3COOH\)   +    \(NaOH\)                   \(\Delta_rH_{298}^o>0\)
Ảnh hưởng của nồng độ đến sự chuyển dịch cân bằng \(CH_3COONa+H_2O⇌CH_3COOH+NaOH\)

Tác động	Hiện tượng	Chiều chuyển dịch cân bằng	Chiều chuyển dịch cân bằng
Tăng nồng độ \(CH_3COONa\)	Hỗn hợp có màu đậm hơn	Thuận	Giảm nồng độ \(CH_3COONa\)
Tăng nồng độ \(CH_3COOH\)	Hỗn hợp nhạt màu	Nghịch	Giảm nồng độ \(CH_3COOH\)

3. Ảnh hưởng của áp suất

Đối với phản ứng thuận nghịch có tổng hệ số tỉ lượng của các chất khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau thì trạng thái cân bằng của hệ không bị chuyển dịch khi thay đổi áp suất chung của hệ.

4. Chất xúc tác

5. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier có ý nghĩa rất lớn khi được vận dụng vào kĩ thuật công nghiệp hoá học. Người ta có thể thay đổi các điều kiện để chuyển dịch cân bằng theo chiều mong muốn, làm tăng hiệu suất của phản ứng.