Hoá học 11 · Cân bằng hoá học
Khái niệm về cân bằng hoá học và nguyên lí Le Chatelier
Phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng động, hằng số cân bằng Kc và ảnh hưởng của nồng độ, áp suất, nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng.
Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng
Phản ứng một chiều chỉ xảy ra theo chiều từ chất đầu tạo thành sản phẩm. Phản ứng thuận nghịch xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện, kí hiệu bằng mũi tên ⇌.
Ví dụ: H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g)
Trạng thái cân bằng là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. Đây là cân bằng động: phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra theo hai chiều, nhưng nồng độ các chất không thay đổi.
Hằng số cân bằng Kc
Với phản ứng aA + bB ⇌ cC + dD, ở nhiệt độ xác định:
\[K_C = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}\]trong đó [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol ở trạng thái cân bằng. Chất rắn không có mặt trong biểu thức Kc.
- Kc chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng và nhiệt độ.
- Kc càng lớn, phản ứng thuận xảy ra càng nhiều (hiệu suất càng cao); Kc càng nhỏ, phản ứng nghịch chiếm ưu thế.
Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier
Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động từ bên ngoài (biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.
| Tác động | Cân bằng chuyển dịch theo chiều |
|---|---|
| Tăng nồng độ một chất | làm giảm nồng độ chất đó |
| Tăng áp suất (có chất khí) | làm giảm số mol khí |
| Tăng nhiệt độ | phản ứng thu nhiệt |
| Giảm nhiệt độ | phản ứng toả nhiệt |
Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng, chỉ giúp hệ nhanh đạt tới trạng thái cân bằng.
Ứng dụng: trong sản xuất ammonia N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) (toả nhiệt), người ta dùng áp suất cao, nhiệt độ khoảng 450 °C và xúc tác iron để cân bằng chuyển dịch về phía tạo ammonia với tốc độ hợp lí.
🧪 Thí nghiệm ảo – mô phỏng
- Quan sát hai đường nồng độ N2O4 và NO2: sau một thời gian chúng nằm ngang, hệ đạt cân bằng.
- Tăng nhiệt độ: hỗn hợp chuyển nâu đậm hơn. Phản ứng tạo NO2 là thu nhiệt nên được ưu tiên.
- Tăng áp suất (nén xi lanh): cân bằng chuyển về phía N2O4, phía có ít phân tử khí hơn.
📐 Công thức cần nhớ
✍️ Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Cho cân bằng H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g). Ở trạng thái cân bằng [H₂] = [I₂] = 0,02 M và [HI] = 0,14 M. Tính Kc.
Xem lời giải
- \(K_C = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]} = \frac{0{,}14^2}{0{,}02 \cdot 0{,}02}\)
- \(K_C = \frac{0{,}0196}{0{,}0004} = 49\)
✅ Đáp số: Kc = 49
Ví dụ 2. Cho cân bằng 2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g) có phản ứng thuận toả nhiệt. Muốn tăng hiệu suất tạo SO₃ cần thay đổi nhiệt độ và áp suất như thế nào?
Xem lời giải
- Phản ứng thuận toả nhiệt: giảm nhiệt độ để cân bằng chuyển theo chiều thuận.
- Vế trái có 3 mol khí, vế phải 2 mol khí: tăng áp suất để cân bằng chuyển theo chiều thuận.
✅ Đáp số: Giảm nhiệt độ (vừa phải) và tăng áp suất
⚠️ Lỗi thường gặp
- Đưa nồng độ chất rắn hoặc nước nguyên chất vào biểu thức Kc.
- Cho rằng chất xúc tác làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
- Nghĩ rằng ở trạng thái cân bằng phản ứng dừng lại: thực chất là cân bằng động.