Bài 1: Khái niệm về cân bằng hóa học

I. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU VÀ PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

- Phản ứng một chiều là phản ứng trong đó các chất sản phẩm không phản ứng với nhau tạo thành chất đầu. Biểu diễn mũi tên của phản ứng bằng mũi tên một chiều.

Ví dụ:

\(C+O_2\underrightarrow{t^0}CO_2\\ NaOH+HCl\rightarrow NaCl+H_2O\)

- Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện. Biểu diễn mũi tên phản ứng bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau.

Ví dụ:

\(H_2+I_2⇌2HI\) (1)

- Trong phản ứng (1), chiều từ trái sang phải là chiều thuận, chiều ngược lại là chiều nghịch.

- Phản ứng thuận nghịch trong thực tế xảy ra không hoàn toàn.

II. CÂN BẰNG HOÁ HỌC

1. Trạng thái cân bằng

- Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

Ví dụ:

- Trong giản đồ trên, sau thời gian, tốc độ phản ứng thuận giảm đến mức bằng với tốc độc phản ứng nghịch. Khi đó xảy ra cân bằng hoá học.

2. Hằng số cân bằng

a. Biểu thức

- Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát: \(aA+bB⇌cC+dD\).

- Ở trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng (\(K_c\)) được xác định bằng công 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 các chất A, B, C, D ở trạng thái cân bằng; a, b, c, d là hệ số tỷ lượng của các chất trong phương trình hoá học phản ứng.

- Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

- Đối với chất rắn, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng, hay hệ số tỷ lượng của nó bằng 0.

b. Ý nghĩa

- Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

- Từ biểu thức của hằng số cân bằng, nhận thấy:

+ \(K_C\) càng lớn, phản ứng thuận càng chiếm ưu thế.

+ Ngược lại, \(K_C\) càng bé, phản ứng nghịch chiếm ưu thế.

III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC

1. Nhiệt độ

- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ và ngược lại.

2. Nồng độ

- Khi tăng nồng độ một chất trong phản ứng, cân bằng hoá học bị phá vỡ, chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ chất đó và ngược lại.

- Khi tăng áp suất chung, cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm áp suất (giảm số mol khí) và ngược lại.

- Cân bằng của hệ không thay đổi khi tổng hệ số tỷ lượng các chất khí hai vế của phương trình hoá học bằng nhau.

3. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

- Nội dung: Một phản ứng thuận nghịch khi ở trạng thái cân bằng, chịu tác động bên ngoài làm thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng chuyển dịch làm giảm tác động bên ngoài đó.

- Áp dụng (ví dụ chung cho cả phần III): 

+ Tổng hợp ammonia theo phản ứng (trong công nghiệp): \(\dfrac{1}{2}N_2+\dfrac{3}{2}H_2⇌NH_3\)

+ Yếu tố áp suất: phản ứng thuận xảy ra khi số mol hệ giảm, do đó, khi tăng áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (khoảng 200 bar).

+ Yếu tố nhiệt độ: vì phản ứng này toả nhiệt khi xảy ra theo chiều thuận nên cần thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, tại đó phản ứng xảy ra rất chậm. Thực tế ammonia được tổng hợp ở nhiệt độ \(450^0C\).

+ Có thể dùng xúc tác là bột Fe.