Cân bằng hóa học

2.1.PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH, CÂN BẰNG HÓA HỌC
2.1.1. Phản ứng một chiều
       Phản ứng một chiều ( bất thuận nghịch ) : là phản ứng trong điều kiện xác định chỉ xảy ra theo một chiều xác định, do đó có thể tiến hành đến hoàn toàn. Nó chỉ xảy ra một chiều từ trái sang phải và không thể xảy ra theo chiều ngược lại.

                       VÍ DỤ :      2KClO3     MnO2,t   2 KCl   + 3 O2  

Trong phương trình hóa học của phản ứng một chiều, người ta dùng một mũi tên chỉ chiều phản ứng.
2.1.2. Phản ứng thuận nghịch
  Phản ứng thuận nghịch : là phản ứng trong cùng một điều kiện thì có thể đồng thời xảy ra hai chiều trái ngược nhau.

                         VÍ DỤ :   I2   + H2                      2 HI

      Nhưng những phản ứng thuận nghịch đều không hoàn toàn, không thể biến hết chất phản ứng thành sản phẩm.

  Trong phương trình hóa học của phản ứng thuận nghịch, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều nhau thay cho một mũi tên đối với phản ứng một chiều

 2.1.3. Cân bằng hóa học 
          Xét phản ứng thuận nghịch sau:
                 H2 (k) +I2 (k) ⇌2HI (k)
          Cho   H2  và  I2  vào trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi. Lúc đầu tốc độ phản ứng thuận  (vt)  lớn vì nồng độ  H2  và  I2  lớn, trong khi đó tốc độ phản ứng nghịch  (vn)  bằng không, vì nồng độ  HI  bằng không. Trong quá trình diễn ra phản ứng nồng độ  H2  và  I2  giảm dần nên  vt  giảm dần, còn  vn  tăng dần, vì nồng độ  HI  tăng dần. Đến một lúc nào đó  vt  bằng  vn, khi đó nồng độ các chất trong phản ứng thuận nghịch trên đây được giữ nguyên, nếu nhiệt độ không biến đổi. Trạng thái này của phản ứng thuận nghịch được gọi là cân bằng hóa học.
   Ở trạng thái cân bằng, phản ứng không dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng với tốc độ bằng nhau  (vt=vn). Điều này có nghĩa là trong cùng một đơn vị thời gian, nồng độ các chất phản ứng giảm đi bao nhiêu theo phản ứng thuận lại được tạo ra bấy nhiêu theo phản ứng nghịch. Do đó, cân bằng hóa học là cân bằng động.



  Kết luận: Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

2.2. HẰNG SỐ CÂN BẰNG

 2.2.1..Cân bằng trong hệ đồng thể

          Xét phản ứng thuận nghịch                        

Theo định luật tác dụng khối lượng ta có :

         Vận tốc phản ứng thuận :       v1 = k1 . [A]a.[B]b

         Vận tốc phản ứng nghịch:      v2  = k2 . [C]c.[D]d

     Khi phản ứng đạt cân bằng : v1 = v2 (∆G = 0), ta có :

                          k1. [A]a.[B]b = k2 . [C]c.[D]d  

        Suy ra :     

                           

      Tỷ lệ  là một hằng số được gọi là hằng số cân bằng, ký hiệu là KC

       KC  là hằng số cân bằng tính theo nồng độ M (mol/l)

          Trong thực tế người ta còn sử dụng các loại hằng số cân bằng khác như : cân bằng tính theo áp suất KP, cân bằng tính theo nồng độ mol phần KN, cân bằng tính theo số mol của các chất tham gia và tạo thàn trong phản ứng Kn. Giữa các hằng số cân bằng này có các mối quan hệ sau :

                            KP = KC ( RT )∆n 

VD1: Trong bình kín có thể tích 0,5lít chứa 0,5mol H2 và 0,5mol N2 khi phản ứng đạt đến cân bằng có 0,02 mol NH3 được tạo nên. Tính hằng số cân bằng của phản ứng tổng hợp NH3.

                                         GIẢI

  Ta có:                     N2     +    3H2      ↔    2NH3

 Số mol bđ:           0,5           0,5                  0

              Pư            0,01        0,03               0,02

              Cb            0,49        0,47               0,02

          Nồng độ các chất lúc cân bằng.

       =  = 0,98 mol/l

        =   = 0,94 mol/l

      =  = 0,04 mol/l

Hằng số cân bằng phản ứng.

  Kcb =  =  = 0,002

VD2: Nếu có 1 mol rượu và 1 mol axitaxetic được trộn lẫn với nhau sẽ xảy ra phản ứng.

CH3COOH   +  C2H5OH   ↔  CH3COOC2H5  + H2O

Phản ứng khi đạt cân bằng thì có 2/3 mol este và 2/3 mol H2O được tạo thành. Tìm hằng số cân bằng.                                    

                                           Giải

Để đơn giản ta giả sử thể tích dung dịch là 1 lít, số mol các chất cũng chính là nồng độ mol.

CH3COOH   +  C2H5OH   ↔  CH3COOC2H5  + H2O

Để tạo 2/3 mol este cần 2/3 mol axit và 2/3 mol rượu.

Do đó số mol axit còn:   1- 2/3 = 1/3 mol

số mol rượu còn : 1 – 2/3 = 1/3 mol.

Hằng số cân bằng :  KCb =  =  = 4

2.2.2. Cân bằng trong hệ dị thể
   Xét hệ cân bằng sau:  C(r) + CO2 (k) ⇌ 2CO (k)
Nồng độ của chất rắn được coi là hằng số, nên nó không có mặt trong biểu thức hằng số cân bằng  Kc. Đối với cân bằng trên ta có:
                 Kc=[CO]2/[CO2]
   Giá trị hằng số cân bằng có ý nghĩa rất lớn, vì nó cho biết lượng các chất phản ứng còn lại và lượng các sản phẩm được tạo thành ở vị trí cân bằng, do đó biết được hiệu suất của phản ứng. Thí dụ:
                 CaCO3 (r) ⇌  CaO (r) + CO2 (k)  ;  Kc=[CO2]
   Ở  8200C, Kc=4,28.10−3,  do đó  [CO2]=4,28.10−3 mol/l;
   Ở  8800C, Kc=1,06.10−2,  nên  [CO2]=1,06.10−2  mol/l.
   Vậy ở nhiệt độ cao hơn, khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, lượng  CO2  (đồng thời lượng  CaO)  tạo thành theo phản ứng nhiều hơn nghĩa là ở nhiệt độ cao hơn hiệu suất chuyển hóa  CaCO3  thành CaO  và  CO2  lớn hơn.

2.3. SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC
1. Thí nghiệm
   Lắp một dụng cụ gồm hai ống nghiệm có nhánh  (a)  và  (b), được nối với nhau bằng ống nhựa mềm, có khóa  K  mở.
   Nạp đầy khí  NO2  vào cả hai ống  (a)  và  (b)  ở nhiệt độ thường. Nút kín cả hai ống, trong đó có cân bằng sau:
                 2NO2 (k)  ⇌ N2O4 (k)
(màu nâu đỏ)            (không màu)
   Màu của hỗn hợp khí trong cân bằng ở cả hai ống  (a)  và  (b)  là như nhau.
Đóng khóa  K  lại ngăn không cho khí ở hai khuyếch tán vào nhau. Ngâm ống  (a)   vào nước đá. Một lát sau lấy ra so sánh màu ở ống  (a)  với ống  (b), ta thấy màu ở ống  (a)  nhạt hơn. Như vậy, khi ta làm lạnh ống  (a), các phân tử  NO2  trong ống đó đã phản ứng thêm để tạo ra  N2O4, làm nồng độ  NO2  giảm bớt và nồng độ  N2O4  tăng thêm. Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hóa học.
2. Định nghĩa
  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 từ bên ngoài lên cân bằng.
Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nồng độ, áp suất và nhiệt độ. Chúng được gọi là các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học.

2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HÓA HỌC
1. Ảnh hưởng của nồng độ
  Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi:
                 C (r) + CO2 (2)  ⇌ 2CO (k)              (2)
                 Kc=[CO]2[CO2]
Ở  8000C, hắng số cân bằng  Kc  không biến đổi và bằng  9,2.10−2.
  Nếu ta cho thêm khí  CO2  vào hệ cân bằng thì nồng độ  CO2  tăng lên làm cho giá trị  Kc  sẽ nhỏ hơn  9,2.10−2. Để cho giá trị  Kc  không biến đổi, lượng  CO2  được thêm vào phải giảm bớt và lượng  CO  phải tăng thêm, nghĩa là  CO2  phải phản ứng thêm với  C  tạo ra  CO  cho tới khi đạt được cân bằng mới, ứng với giá trị  Kc  bằng  9,2.10−2. Vậy khi thêm  CO2  vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch từ trái sang phải (theo chiều thuận) .    Hiện tượng sẽ xảy ra tương tự như trên khi ta lấy bớt khí  CO2  ra khỏi hệ cân bằng.
Ngược lại, nếu ta cho thêm một lượng khí  CO  vào hệ cân bằng  (2), hoặc lấy bớt khí  CO2  ra, thì cân bằng sẽ chuyển dịch từ phải sang trái (theo chiều nghịch).
  Nhận xét: Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng, thì cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm tác dụng của việc tăng hoặc giảm nồng độ chất đó.
  Lưu ý rằng, nếu trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất)  thì việc thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng, nghĩa là cân bằng không chuyển dịch. Thí dụ, nếu cho thêm hoặc lấy bớt lượng cacbon trong hệ cân bằng  (2)  thì cân bằng sẽ không bị ảnh hưởng, vì hằng số cân bằng  Kc  không phụ thuộc vào lượng cacbon.
2. Ảnh hưởng của áp suất
   Xét lại hệ cân bằng  (1)  trong xi lanh kín có pít tông ở nhiệt độ thường và không đổi:
                 N2O4 (k)  ⇌ 2NO2 (k)       (1)
                 Kc=[NO2]2[N2O4]
   Khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng áp suất chung của hệ, thí dụ tăng hai lần, bằng cách đẩy pít tông vào để cho thể tích chung của hệ giảm hai lần, ngay lúc đó nồng độ của  NO2  và  N2O4  đều tăng hai lần. Kết quả là tử số trong biểu thức tính  Kc  tăng  4  lần trong khi mẫu số chỉ  tăng  2 lần. 

Ở nhiệt độ xác định, hằng số cân bằng  Kc  không đổi, nên để bù lại việc tăng ít của mẫu số, số mol khí  N2O4  phải được tạo thêm, đồng thời số mol khí  NO2  phải giảm bớt, nghĩa là cân bằng phải chuyển dịch theo chiều nghịch.

 

 


  Nhận xét: Từ phản ứng  (1)  ta thấy, cứ hai mol khí  NO2  phản ứng tạo ra một mol khí  N2O4, nghĩa là phản ứng nghịch làm giảm số mol khí trong hệ, do đó làm giảm áp suất chung của hệ.
  Như vậy, khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng trên, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều làm giảm áp suất chung của hệ, nghĩa là chuyển dịch về phía làm giảm tác dụng của việc tăng áp suất chung.
  Bây giờ nếu ta làm giảm áp suất chung của hệ cân bằng trên bằng cách kéo pít tông ra để cho thể tích chung của hệ tăng lên, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận, chiều làm tăng số mol khí trong hệ, nghĩa là về  phía làm giảm tác dụng của việc giảm áp suất chung.
  Kết luận: Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì bao giờ cân bằng cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác dụng của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.
  Từ việc khảo sát ở trên ta suy ra rằng, khi hệ cân bằng có số mol khí ở hai vế của phương trình hóa học bằng nhau hoặc trong hệ không có chất khí thì việc tăng hoặc giảm áp suất chung không làm cho cân bằng chuyển dịch. Thí dụ, áp suất không ảnh hưởng đến các cân bằng sau:
                 H2 (k) + I2  (k) ⇌ 2HI (k)
                 Fe2O3 (r)+3CO (k) ⇌ 2Fe (r) +3CO2 (k)
                 CaO (r) + SiO2 (r) ⇌ CaSiO3 (r)
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ
   Hằng số cân bằng  Kc  của phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nên khi nhiệt độ biến đổi, cân bằng sẽ chuyển dịch sang một trạng thái cân bằng mới ứng với giá trị mới của hằng số cân bằng. Thí dụ:
                 N2O4 (k) ⇌ 2NO2 (k);  ΔH=58kJ>0
(không màu)  (màu nâu đỏ)
  Giá trị  58 kJ  là nhiệt của phản ứng thuận, phản ứng thu nhiệt. Phản ứng nghịch là phản ứng tỏa nhiệt với  ΔH=−58 kJ <0.
  Khi hỗn hợp khí trên đang ở trạng thái cân bằng, nếu đun nóng hỗn hợp khí bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp vào nước sôi, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí đậm lên, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng thu nhiệt.
Nếu làm lạnh bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp khí vào nước đá, màu của hỗn hợp khí nhạt đi, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng tỏa nhiệt.
  Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác dụng của việc tăng nhiệt độ và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt, chiều làm giảm tác dụng của việc giảm nhiệt độ.
  Các yếu tố nồng độ, áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng đến cân bằng hóa học đã được Lơ Sa-tơ-li-ê (nhà hóa học Pháp - tác giả của nguyên lí chuyển dịch cân bằng)   tổng kết thành nguyên lí được gọi là nguyên lí Lơ Sa-tơ-li-ê như sau:
  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 bên ngoài đó.
4. Vai trò của chất xúc tác 
  Chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và cũng không làm biến đổi hằng số cân bằng, nên không làm cân bằng chuyển dịch. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn.

2.5.Ý NGHĨA CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG SẢN XUẤT HÓA HỌC
   Để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học, chúng ta lấy một số thí dụ sau:
Thí dụ 1: Trong quá trình sản xuất axit sunfuric phải thực hiện phản ứng sau:
                 2SO2 (k) + O2 (k) ⇌ 2SO3 (k); ΔH=−198 kJ<0
   Trong phản ứng này, người ta dùng oxi không khí.
   Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra rất chậm. Để tăng tốc độ phản ứng, phải tăng nhiệt độ và dùng chất xúc tác. Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất của phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta đã dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
Thí dụ 2: Trong công nghiệp, amoniac được tổng hợp theo phản ứng sau:
                 N2 (k) +3H2 (k) ⇌ 2NH3 (k); ΔH=−92 kJ<0
   Đặc điểm của phản ứng này là tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thường, tỏa nhiệt và số mol khí của sản phẩm ít hơn số mol khí của các chất phản ứng. Do đó, người ta phải thực hiện phản ứng này ở nhiệt độ cao, áp suất cao và dùng chất xúc tác. Ở áp suất cao, cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía tạo ra  NH3, nhưng ở nhiệt độ cao cân bằng sẽ chuyển dịch ngược lại, nên chỉ thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thích hợp.