Cân bằng hóa học là gì? Hằng số cân bằng Kc và nguyên lý Le Chatelier — Hóa 11

I. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

1. Phản ứng một chiều

Trong điều kiện xác định, phản ứng xảy ra theo chiều từ chất tham gia tạo thành sản phẩm mà sản phẩm không thể tác dụng với nhau để tạo thành chất ban đầu, gọi là phản ứng một chiều.

Phương trình hoá học của phản ứng một chiều được biểu diễn bằng mũi tên chỉ chiều phản ứng.

Ví dụ:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

2. Phản ứng thuận nghịch

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện.

Phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau. Chiều từ trái sang phải là chiều phản ứng thuận, chiều từ phải sang trái là chiều phản ứng nghịch.

Ví dụ:

Cl2 + H₂O ⇌ HCl + HClO

Trong thực tế, các phản ứng thuận nghịch xảy ra không hoàn toàn, bởi vì trong cùng một điều kiện, các chất phản ứng tác dụng với nhau tạo thành chất sản phẩm (phản ứng thuận), đồng thời các chất sản phẩm lại tác dụng với nhau tạo thành các chất ban đầu (phản ứng nghịch).

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.

Cân bằng hoá học là một cân bằng động, các chất tham gia phản ứng liên tục phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm và các chất sản phẩm cũng liên tục phản ứng với nhau để tạo thành các chất đầu nhưng với tốc độ bằng nhau nên ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất không thay đổi.

2. Hằng số cân bằng

a. Biểu thức của hằng số cân bằng

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát: aA + bB ⇌ cC + dD

Ở trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng (KC) của phản ứng được xác định theo biểu thức:

KC=CcDdAaBb

Trong đó:

[A], [B], [C], [D] là nồng độ 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 hoá học của phản ứng.

Chú ý:

– Thực nghiệm cho thấy: hằng số cân bằng KC của một phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.

– Đối với các phản ứng có chất rắn tham gia, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng.

b. Ý nghĩa của hằng số cân bằng

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

Biểu thức xác định hằng số cân bằng KC=CcDdAaBb cho thấy: Kc càng lớn thì phản ứng thuận càng chiếm ưu thế hơn và ngược lại KC càng nhỏ thì phản ứng nghịch càng chiếm ưu thế hơn.

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng hoá học

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phản ứng thu nhiệt (∆rH2980>0), nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ và ngược lại.

2. Ảnh hưởng của nồng độ

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

3. Ảnh hưởng của áp suất

Khi tăng áp suất chung của hệ, thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, tức là chiều làm giảm số mol khí và ngược lại.

Đối với phản ứng thuận nghịch có tổng hệ số tỉ lượng của các chất khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau thì trạng thái cân bằng của hệ không bị chuyển dịch khi thay đổi áp suất chung của hệ.

4. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động bên ngoài làm thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier có ý nghĩa rất lớn khi được vận dụng vào kĩ thuật công nghiệp hoá học. Người ta có thể thay đổi các điều kiện để chuyển dịch cân bằng theo chiều mong muốn, làm tăng hiệu suất của phản ứng.

Chú ý:

Ngoài ra, để tăng tốc độ phản ứng người ta còn sử dụng chất xúc tác.

Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không bị biến đổi (cả về chất và lượng) sau khi phản ứng kết thúc.