I. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hoá học
1. Phản ứng một chiều
Trong điều kiện xác định, phản ứng chỉ xảy ra theo chiều từ chất tham gia tạo thành sản phẩm mà sản phẩm không thể tác dụng với nhau để tạo lại chất ban đầu, gọi là phản ứng một chiều.
Trong phương trình hoá học của phản ứng một chiều, người ta dùng kí hiệu mũi tên (→) chỉ chiều phản ứng.
2. Phản ứng thuận nghịch
Ở điều kiện thường, \(Cl_2\) phản ứng với \(H_2O\) tạo thành \(HCl\) và \(HClO\), đồng thời \(HCl\) và \(HClO\) sinh ra cũng tác dụng được với nhau tạo lại \(Cl_2\) và \(H_2O\).
Trong cùng điều kiện xác định, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau được gọi là phản ứng thuận nghịch.
Trong phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch người ta dùng kí hiệu hai nửa mũi tên ngược chiều (\(⇌\)): chiều từ trái sang phải là chiều thuận, chiều từ phải sang trái là chiều nghịch.
Đồ thị biểu diễn nồng độ các chất trong phản ứng theo thời gian
Đồ thị biểu diễn tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch theo thời gian
Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái mà tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. Cân bằng hoá học là một cân bằng động. Ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất không thay đổi.
II. Hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch
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:
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. Chất rắn không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng.
Trong phản ứng thuận nghịch, hằng số cân bằng \(K_C\) của phản ứng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Trong phản ứng thuận nghịch thì hằng số cân bằng \(K_C\) là một đại lượng có ý nghĩa quan trọng, nó cho biết mức độ xảy ra của một phản ứng.
III. Sự chuyển dịch cân bằng hoá học
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 \(2NO_2\left(g\right)⇌N_2O_4\left(g\right)\).
- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, tạo ra \(NO_2\) nên hỗn hợp có màu nâu đậm hơn.
- Khi hạ nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo ra \(N_2O_4\) nên hỗn hợp trở lên nhạt màu hơn
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 của phản ứng thuỷ phân sodium acetate.
- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tạo ra \(NaOH\) nên hỗn hợp có màu đậm hơn.
- Khi hạ nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, tạo ra \(CH_3COONa\) nên hỗn hợp trở lên nhạt màu hơn.
Sự chuyển dịch cân bằng hoá học là sự dịch chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác.
IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học
Nguyên lí Le Chatelier
Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.
1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ. Ngược lại, khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt, chiều làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.
2. Ảnh hưởng của áp suất
Phản ứng \(2NO\left(g\right)⇌N_2O_4\left(g\right)\) ở áp suất khác nhau
• Khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu tăng hoặc giảm áp suất của hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm hoặc tăng áp suất của hệ.
• Khi hệ cân bằng có tổng hệ số tỉ lượng của các chất khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau hoặc trong hệ không có chất khí, việc tăng hoặc giảm áp suất không làm chuyển dịch cân bằng của hệ.
3. Ảnh hưởng của nồng độ
Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng chuyển dịch tương ứng theo chiều làm giảm hoặc tăng nồng độ của chất đó.
Chú ý: Chất xúc tác không làm thay đổi nồng độ các chất trong hệ cân bằng và cũng không làm thay đổi hằng số cân bằng nên không làm chuyển dịch cân bằng. Chất xúc tác có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch nên làm cho hệ nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng.
