Khái niệm về cân bằng hóa học

1. Tìm hiểu khái niệm 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 hóa học của phản ứng một chiều, người ta dùng kí hiệu mũi tên (→) để chỉ chiều phản ứng.

Ví dụ:

NaOH + HCl \(\rightarrow\) NaCl + H₂O

2. Tìm hiểu khái niệm phản ứng thuận nghịch

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 hóa 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.

Ví dụ: 

H₂(g) + I₂(g) \(\overset{t^{\circ} }{\rightleftharpoons}\) HI(g)

 N₂(g) + 3H₂(g) \(\overset{t^{\circ}, xt }{\rightleftharpoons}\) 2NH₃(g) 

3. Tìm hiểu khái niệm trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch

Chú ý: Cân bằng hóa học là cân bằng động, vì ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra với tốc độ bằng nhau nên không thấy sự thay đổi thành phần của hệ.

II. Hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch

Tìm hiểu hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch

Cho phản ứng thuận nghịch sau:

aA + bB ⇌ mM + nN

 Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, ta có: 

Trong đó:

• [A], [B], [C], [D] là nồng độ các chất A, B, C, và D ở trạng thái cân bằng.
• a, b, c và d là hệ số tỉ lượng các chất trong phương trình hóa học.

Chú ý: 

• 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 xác định 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 hóa học

Tìm hiểu thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự chuyển dịch cân bằng hóa học

Thí nghiệm 1: Nghiên cứu sự chuyển dịch cân bằng của phản ứng

 2NO₂(g) ⇌ N₂O₂(g)

      (nâu đỏ)     (không màu)

Thí nghiệm 2: Nghiên cứu sự chuyển dịch cân bằng của phản ứng thủy phân sodium acetate. 

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

1. Tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học

• Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt nghĩa là chiều làm giảm tác động của tăng nhiệt độ.
• Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt, chiều làm giảm tác động của việc giảm nhiệt độ.

Ví dụ: Xét phản ứng:

2NO₂(g) ⇌ N₂O₂(g)           (1)   \(\triangle_{\mathrm r}\mathrm H_{298}^{\mathrm o}=-58\;\mathrm{kJ}\)

       (nâu đỏ)     (không màu)

Khi hỗn hợp khí trên ở trạng thái cân bằng:

• Nếu ngâm bình vào nước nóng (tăng nhiệt độ), màu nâu đỏ của hỗn hợp khí đậm lên (cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch).
• Nếu ngâm bình đựng hỗn hợp vào nước đá (giảm nhiệt độ), màu của hỗn hợp khí nhạt đi (cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận).

2. Tìm hiểu ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng hóa học

• 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 hóa học bằng nhau hoặc trong hệ không có chất khí, việc tăng hoặc giảm áp suất không làm chuyển dịch cân bằng của hệ.

Ví dụ: Xét hệ cân bằng:

2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g)                          (2)     _{\({\mathrm K}_{\mathrm c}=\frac{\lbrack{\mathrm N}_2{\mathrm O}_4\rbrack}{{\lbrack{\mathrm{NO}}_2\rbrack}^2}\)}

(nâu đỏ)      (không màu)

Thực hiện phản ứng trong xilanh kín có pit-tông ở nhiệt độ thường không đổi. Khi hệ đạt trạng thái cân bằng:

• Nếu đẩy pit-tông (tăng áp suất), màu nâu đỏ nhạt dần (cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận).
• Nếu kéo pit-tông ra (giảm áp suất), màu nâu đậm dần (cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch).

Phản ứng 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g) ở áp suất khác nhau

3. Tìm hiểu ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng hóa học

C(s) + CO₂(g) ⇌ 2CO(g)             \({\mathrm K}_{\mathrm c}=\frac{{\lbrack\mathrm{CO}\rbrack}^2}{\lbrack{\mathrm{CO}}_2\rbrack}\)