Bài viết này cung cấp cho bạn đọc thông tin chi tiết và đầy đủ nhất về cân bằng hóa học và sự chuyển dịch cân bằng hóa học, cùng với cách áp dụng nguyên lý Lơ Sa–tơ–li-ê để phân tích sự chuyển dịch cân bằng hóa học. Hãy cùng chúng tôi khám phá ngay!
Cân bằng hóa học là gì? Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch
Để hiểu rõ về cân bằng hóa học, chúng ta sẽ xem xét các khái niệm về phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch.
Phản ứng một chiều là gì?
Phản ứng một chiều là một loại phản ứng hóa học trong đó các chất phản ứng chuyển hóa hoàn toàn thành các sản phẩm và không có phản ứng ngược lại để tái tạo lại các chất phản ứng ban đầu.
Trong phản ứng một chiều, các chất phản ứng bị tiêu thụ dần dần cho đến khi không còn chất phản ứng nào và chỉ còn lại các sản phẩm cuối cùng. Phản ứng này diễn ra theo một hướng duy nhất và không đạt được trạng thái cân bằng.
Ví dụ về phản ứng một chiều:
2KClO3 -> 2KCl + 3O2 (Điều kiện: MnO2, nhiệt độ)
Trong phản ứng này, cacbon (C) phản ứng với oxy (O₂) tạo ra khí cacbonic (CO₂), và quá trình này diễn ra một chiều, không có sự tạo ngược lại các chất ban đầu.
>> Xem thêm: Lưu huỳnh là gì? Đặc điểm nổi bật của lưu huỳnh
Phản ứng thuận nghịch
Phản ứng thuận nghịch là loại phản ứng hóa học trong đó các chất phản ứng chuyển hóa thành các sản phẩm và đồng thời, các sản phẩm cũng có thể phản ứng ngược lại để tái tạo lại các chất phản ứng ban đầu.
Phản ứng này diễn ra theo cả hai hướng, và hệ thống có thể đạt trạng thái cân bằng hóa học khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
Ví dụ về phản ứng thuận nghịch:
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
Trong phản ứng này, nitơ (N₂) và hydro (H₂) phản ứng với nhau để tạo ra amoniac (NH₃), và ngược lại, amoniac cũng có thể phân hủy để tái tạo lại nitơ và hydro.
Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng, nồng độ của các chất phản ứng và sản phẩm không thay đổi theo thời gian, vì tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch là bằng nhau.
Cân bằng hóa học là gì?
Cân bằng hóa học là trạng thái của một phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận (chuyển hóa các chất phản ứng thành sản phẩm) bằng với tốc độ phản ứng nghịch (chuyển hóa sản phẩm trở lại thành các chất phản ứng). Tại trạng thái này, nồng độ của các chất phản ứng và sản phẩm không thay đổi theo thời gian.
Cân bằng hóa học không có nghĩa là các phản ứng ngừng xảy ra, mà là chúng xảy ra với tốc độ bằng nhau, tạo ra một trạng thái động (dynamic equilibrium). Ở trạng thái cân bằng, hệ thống ổn định và không có sự thay đổi nào trong nồng độ các chất nếu không có tác động từ bên ngoài.
Ví dụ về cân bằng hóa học:
H2 (k) + I2 (k) ⇌ 2HI (k)
Ở trạng thái cân bằng, tỉ lệ giữa các chất phản ứng (N₂ và H₂) và sản phẩm (NH₃) đạt một giá trị cố định, được gọi là hằng số cân bằng (Kc). Hằng số này phụ thuộc vào nhiệt độ và có thể được tính toán từ nồng độ của các chất ở trạng thái cân bằng.
Nguyên lý Lơ Sa–tơ–li-ê (Le Chatelier) cho biết rằng nếu một hệ thống cân bằng bị tác động bởi một thay đổi (như thay đổi nồng độ, áp suất, hoặc nhiệt độ), hệ thống sẽ điều chỉnh để chống lại sự thay đổi đó và đạt trạng thái cân bằng mới.
Sự chuyển dịch trong cân bằng hóa học
Tiến hành thí nghiệm lắp đặt bộ dụng cụ gồm hai ống nghiệm có nhánh (a) và (b), được nối với nhau bằng một ống nhựa mềm, có khóa K để mở. Tiếp tục nạp đầy khí NO2 vào cả hai ống (a) và (b) ở nhiệt độ thường. Nút kín cả hai ống, trong đó có phản ứng cân bằng sau:
2NO2 (k – nâu đỏ) ⇌ N2O4 (khí – không màu)
Màu của hỗn hợp khí trong trạng thái cân bằng ở cả hai ống (a) và (b) là như nhau. Đóng khóa K lại để ngăn không cho khí ở hai ống khuếch tán vào nhau. Ngâm ống (a) vào nước đá một lát, sau đó lấy ra so sánh màu của ống (a) với ống (b), nhận thấy ống (a) có màu nhạt hơn.
Khi làm lạnh ống (a), các phân tử NO2 trong ống đã phản ứng thêm để tạo ra N2O4, làm giảm nồng độ NO2 và tăng nồng độ N2O4. Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hóa học.
Kết luận: Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố bên ngoài lên cân bằng (SGK Hóa học 10, trang 158, NXB Giáo dục Việt Nam).
>> Xem thêm: Lý thuyết khái quát về nhóm Halogen trong bảng tuần hoàn
Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học
Có một số yếu tố chính ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, bao gồm:
Nồng độ các chất phản ứng và sản phẩm
- Khi nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản phẩm thay đổi, hệ thống sẽ phản ứng để giảm thiểu sự thay đổi này và khôi phục lại trạng thái cân bằng.
- Ví dụ: Trong phản ứng A+B⇌C+DA + B \rightleftharpoons C + DA+B⇌C+D, nếu nồng độ của A hoặc B tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển sang phải (sản phẩm C và D tăng). Nếu nồng độ của C hoặc D tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái (chất phản ứng A và B tăng).
Áp suất
- Áp suất ảnh hưởng đến cân bằng của các phản ứng có liên quan đến khí.
- Khi áp suất tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển về phía có ít mol khí hơn để giảm áp suất. Khi áp suất giảm, cân bằng sẽ dịch chuyển về phía có nhiều mol khí hơn để tăng áp suất.
- Ví dụ: Trong phản ứng N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)N_2 (g) + 3H_2 (g) \rightleftharpoons 2NH_3 (g)N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g), nếu áp suất tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển sang phải (phía có ít mol khí hơn, từ 4 mol khí thành 2 mol khí).
Nhiệt độ
- Nhiệt độ ảnh hưởng đến hằng số cân bằng (K).
- Nếu nhiệt độ tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng thu nhiệt (hấp thụ nhiệt). Nếu nhiệt độ giảm, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giải phóng nhiệt).
- Ví dụ: Trong phản ứng tỏa nhiệt A+B⇌C+D+nhiệtA + B \rightleftharpoons C + D + nhiệtA+B⇌C+D+nhiệt, nếu nhiệt độ tăng, cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái để hấp thụ nhiệt. Nếu nhiệt độ giảm, cân bằng sẽ dịch chuyển sang phải để tạo ra nhiệt.
Chất xúc tác
- Chất xúc tác không làm thay đổi vị trí cân bằng mà chỉ làm tăng tốc độ đạt cân bằng.
- Chất xúc tác tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch một cách đồng đều, do đó không làm dịch chuyển cân bằng.
Thay đổi thể tích
- Thay đổi thể tích của hệ thống cũng ảnh hưởng đến áp suất và từ đó ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, đặc biệt đối với các phản ứng liên quan đến khí.
- Giảm thể tích làm tăng áp suất, do đó cân bằng sẽ dịch chuyển về phía có ít mol khí hơn. Tăng thể tích làm giảm áp suất, cân bằng sẽ dịch chuyển về phía có nhiều mol khí hơn.
Kết bài
Hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học là rất quan trọng trong việc kiểm soát và tối ưu hóa các phản ứng hóa học. Những yếu tố chính như nồng độ, áp suất, nhiệt độ, và sự có mặt của chất xúc tác đều có thể làm thay đổi trạng thái cân bằng, dẫn đến sự chuyển dịch cân bằng hóa học.
Việc áp dụng nguyên lý Lơ Sa–tơ–li-ê giúp chúng ta dự đoán và điều chỉnh sự chuyển dịch này để đạt hiệu quả mong muốn trong các quá trình hóa học. Điều này không chỉ quan trọng trong nghiên cứu mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn trong công nghiệp hóa chất và các lĩnh vực liên quan.
