Yếu tố không thể làm chuyển dịch cân bằng hóa học

Sự chuyển dịch cân bằng hóa học và các yếu tố ảnh hưởng

Một hệ cân bằng được đặc trưng bởi các giá trị hoàn toàn xác định của các thông số như nhiệt độ áp suất, nồng độ các chất của các chất v.v... Nếu như bằng một cách nào đó người ta làm thay đổi một trong các yếu tố này thì trạng thái của hệ sẽ bị thay đổi, các thông số của hệ sẽ nhận những giá trị mới và do đó, hệ chuyển sang một trạng thái mới. Thế nhưng, khi tác động bên ngoài ấy bị loại bỏ thì hệ quay lại trạng thái đầu. Hiện tượng trên được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hóa học.

Ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài gây nên sự chuyển dịch cân bằng được nhà bác học người Pháp nghiên cứu và ông đã đưa ra nguyên lý gọi là nguyên lý Le Chatelier.

Phát biểu nguyên lý Le Chatelier:“Khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi một trong các thông số trạng thái của hệ (T, P và C ) thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi đó.”

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự dịch chuyển cân bằng

Các hằng số KP, KC, KN đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên khi T thay đổi thì các hằng số cân bằng thay đổi theo.

Một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta tăng nhiệt độ của hệ thì cân bằng dịch chuyển theo chiều thu nhiệt, khi nhiệt độ của hệ giảm thì cân bằng dịch chuyển theo chiều tỏa nhiệt.

Ví dụ 1: N2(k)  +  3H2(k)  ⇔  2NH3(k)  ∆Ho = -92,6kJ.

Vì ∆H0 < 0, khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt), nếu nhiệt độ của hệ giảm xuống thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tỏa nhiệt). Như vậy phản ứng tổng hợp amoniac sẽ đạt hiệu suất cao ở nhiệt độ thấp, tuy nhiên ở nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng xảy ra chậm. Thực tế cần chấp nhận sự dung hòa giữa hiệu suất nhiệt động lực học với yếu tố động học.

Ví dụ 2: Xét phản ứng nung vôi là phản ứng thu nhiệt

CaCO3(k)  ⇔  CaO(r)  +  CO2(k)  có ∆Ho > 0

Nếu tăng nhiệt độ của hệ thì cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận (chiều thu nhiệt), ngược lại khi giảm nhiệt độ xuống thì cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt). Vậy để thu được CaO có hiệu suất cao cần nhiệt độ cao.

Vậy một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta thay đổi nhiệt độ của hệ thì cân bằng của phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều của phản ứng nào có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.

4.2.2 Ảnh hưởng của áp suất đến sự dịch chuyển cân bằng

Ta có KP  = KN. P∆n

Vì KP không phụ thuộc vào P, nên khi thay đổi thì KP = const nên:

- Nếu ∆n > 0: khi tăng P → KN phải giảm (để giữ KP = const) ⇒ chuyển dịch cân bằng theo chiều nghịch (làm giảm số mol khí) và ngược lại.

- Nếu ∆n < 0: khi tăng P → KN phải tăng (để giữ KP = const) ⇒ chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận (làm giảm số mol khí) và ngược lại khi giảm P → KN phải giảm  cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch (làm tăng số mol khí).

- Nếu ∆n = 0 ⇒ không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.

* Nhận xét: kết quả của sự chuyển dịch cân bằng chống lại sự thay đổi bên ngoài:

+ Nếu P tăng ⇒ cân bằng dịch chuyển theo chiều P giảm (giảm số mol khí ∆n < 0).

+ Nếu P giảm ⇒cân bằng dịch chuyển theo chiều P tăng (tăng số mol khí ∆n > 0).

Ví dụ 1:

N2(k)  +  3H2(k)  ⇔  2NH3(k)

Có ∆n = 2 – (3 + 1) = -2 < 0 (chiều thuận), chiều nghịch: ∆n > 0.

Nếu tăng áp suất chung của hệ P, cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận là chiều làm giảm số mol khí, nghĩa là chiều tạo thành NH3 (hiệu suất phản ứng tăng); nếu ta giảm P thì cân bằng dịch chuyển theo chiều tăng số phân tử khí nghĩa là theo chiều tạo thành N2 và H2 nghĩa là hiệu suất phản ứng giảm. Vì vậy trong công nghiệp, phản ứng tổng hợp NH3 được duy trì ở áp suất 500 – 1000atm và nhiệt độ ở 400 – 500oC.

Ví dụ 2:

CO(k)  +  H2O(k)  ⇔ CO2(k)  +  H2(k)

Ta có ∆n = (1 + 1) – (1 + 1) = 0 ⇒ P không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.

4.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ đến sự dịch chuyển cân bằng

Xét phản ứng: aA  +  bB  ⇔  cC  +  dD

Có KC = const ở T = const

Nếu tăng [A], [B] cân bằng dịch chuyển theo chiều tăng [C], [D] (để giữ KC = const) ⇒ cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận làm giảm [A], [B].

Nếu giảm [A], [B] cân bằng dịch chuyển theo chiều giảm [C], [D] (để giữ KC = const) ⇒cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch làm tăng [A], [B].

Tương tự khi tăng nồng độ sản phẩm cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ sản phẩm (chiều nghịch) và làm tăng nồng độ chất tham gia để giữ cho KC=const, hoặc ngược lại.

Vậy khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi nồng độ của một trong các chất thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi đó.

Ví dụ: C(r)  +  CO2(k)  ⇔ 2CO(k)

ở T = const, để giữ cho KC  = const

Nếu ta tăng nồng độ chất tham gia CO2, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm giảm nồng độ CO2 và tạo ta thêm CO2.

Nếu ta giảm nồng độ chất tham gia CO2, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm tăng nồng độ CO2 và làm giảm bớt CO.

Nếu tăng nồng độ CO, cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch làm giảm nồng độ CO và làm tăng thêm nồng độ CO2 và ngược lại.

Hãy cho biết yếu tố nào sau đây luôn không làm chuyển dịch cân bằng hoá học?

A.

B.

C.

D.

08:28:3513/12/2019

Vậy cân bằng hóa học là gì? Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) xét sự chuyển dịch cân bằng hóa học được phát biểu như thế nào? Các yếu tố nhiệt độ, nồng độ, áp suất và chất xúc tác ảnh hưởng tới sự dịch chuyển cân bằng hóa học ra sao? Cân bằng hóa học có ý nghĩa gì trong sản xuất hóa học? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học 

1. Phản ứng một chiều

- Phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo 1 chiều từ trái sang phải (dùng 1 mũi tên chỉ chiều phản ứng).

* Ví dụ:

2. Phản ứng thuận nghịch

- Phản ứng thuận nghịc là những phản ứng trong cùng điều kiện xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau (dùng mũi tên 2 chiều chỉ phản ứng).

* Ví dụ: 

3. Cân bằng hóa học

- Xét phản ứng thuận nghịch:

 H2(k) + I2(k) 

 2HI(k)

- Sự biến đổi của tốc độ phản ứng thuận vt và phản ứng nghịch vn được xác định như đồ thị sau:

- Khi vt = vn thì phản ứng đạt trạng thái cân bằng và được gọi là cân bằng hóa học, như vậy:

- Định nghĩa: Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

- Cân bằng hóa học là một cân bằng động.

- Ở trạng thái cân bằng, trong hệ luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các chất sản phẩm.

II. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học

- Định nghĩa: Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự dịch chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động từ các yếu tố bên ngoài lên cân bằng

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

1. Ảnh hưởng của nồng độ

- Thí nghiệm: C(r) + CO2(k) 

 CO(k)

- Khi tăng CO2 thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều làm giảm CO2).

- Khi giảm CO2 thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều làm tăng CO2).

• Kết luận:

- Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó.

- Lưu ý: Chất rắn không làm ảnh hưởng đến cân bằng của hệ.

2. Ảnh hưởng của áp suất

- Thí nghiệm: N2O4(khí, không màu) 

 2NO2(khí, nâu đỏ)

- Khi P tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, hay chiều nghịch.

- Khi P giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất, hay chiều thuận.

• Kết luận:

- Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.

- Lưu ý: Khi số mol khí ở 2 vế bằng nhau (hoặc phản ứng không có chất khí) thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt:

- Phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy thêm năng lượng để tạo sản phẩm. Kí hiệu ΔH>0.

- Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng mất bớt năng lượng. Kí hiệu ΔH<0.

• Thí nghiệm: N2O4(k) 

 2NO2(k)  ΔH = +58kJ 

- Phản ứng thuận thu nhiệt vì ΔH =+58kJ > 0

- Phản ứng nghịch tỏa nhiệt vì ΔH = −58kJ < 0

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học:

- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt (giảm tác động tăng nhiệt độ).

- Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giảm tác động giảm nhiệt độ).

• Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê (Le Chatelier)

- Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất 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 chuyển dịch cân bằng hóa học (không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học).

- Khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập hơn.

- Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau.

IV. Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học

- Xem xét một số ví dụ sau để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học:

* Ví dụ 1: Sản suất axit sunfuric H2SO4

 2SO2(k)+O2(k) 

 2SO3(k)  ΔH<0

- Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và tăng nhiệt độ. Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

* Ví dụ 2: Sản xuất amoniac NH3

 N2(k)+3H2(k) 

 2NH3(k)    ΔH<0

- Ở nhiệt độ thường, tốc độ phản ứng xảy ra rất chậm; nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch; do đó, phản ứng này phải được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp, áp suất cao và dùng chất xúc tác.

V. Bài tập về Cân bằng hóa học

* Bài 1 trang 162 SGK Hóa 10: Ý nào sau đây là đúng:

A. Bất cứ phản ứng nào cũng phải đạt đến trạng thái cân bằng hóa học.

B. Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng thì phản ứng dừng lại.

C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học.

D. Ở trạng thái cân bằng, khối lượng các chất ở hai vế của phương trình phản ứng phải bằng nhau.

° Lời giải bài 1 trang 162 SGK Hóa 10:

• Chọn đáp án: C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học.

* Bài 2 trang 162 SGK Hóa 10: Hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín:

 2SO2(k) + O2 (k) 

2SO3 (k) ΔH < 0

Yếu tố nào sau đây không làm nồng độ các chất trong hệ cân bằng biến đổi?

A. Biến đổi nhiệt độ.

B. Biến đổi áp suất.

C. Sự có mặt chất xúc tác.

D. Biến đổi dung tích của bình phản ứng.

° Lời giải bài 2 trang 162 SGK Hóa 10:

• Chọn đáp án: C. Sự có mặt chất xúc tác.

- Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. Do vậy, chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học hay không làm nồng độ các chất trong cân bằng biến đổi.

* Bài 3 trang 163 SGK Hóa 10: Cân bằng hóa học là gì? Tại sao nói cân bằng hóa học là cân bằng động?

° Lời giải bài 3 trang 163 SGK Hóa 10:

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

- Cân bằng hóa học là cân bằng động vì: Ở trạng thái cân bằng không phải là phản ứng dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng tốc độ bằng nhau (vthuận = vnghịch).

- Có nghĩa là trong một đơn vị thời gian số mol 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.

* Bài 4 trang 163 SGK Hóa 10: Thế nào là sự chuyển dịch cân bằng? Những yếu tố nào ảnh hưởng đến cân bằng hóa học? Chất xúc tác có ảnh hưởng đến cân bằng hóa học không? Vì sao?

° Lời giải bài 4 trang 163 SGK Hóa 10:

- Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ để chuyển sang một trạng thái cân bằng mới do các yếu tố bên ngoài tác động lên cân bằng.

- Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nhiệt độ, nồng độ và áp suất.

- Chất xúc tác không có ảnh hưởng đến cân bằng hóa học, vì chất xúc tác không làm biến đổi nồng độ các chất trong cân bằng và cũng không làm biến đổi hằng số cân bằng. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên nó có tác dụng làm cho phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng nhanh chóng hơn.

* Bài 5 trang 163 SGK Hóa 10: Phát biểu nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê và dựa vào cân bằng sau để minh họa:

 C(r) + CO2 

2CO(k)  ΔH>0

° Lời giải bài 5 trang 163 SGK Hóa 10:

• Nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê:

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

• Minh họa bằng cân bằng sau:

 C(r) + CO2(k) 

  2CO(k)    ∆H>0

- Nồng độ: Khi ta cho thêm vào một lượng khí CO2 nồng độ trong hệ sẽ tăng lên làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (từ trái sang phải) tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ CO2.

- Nhiệt độ: Khi ta tăng nhiệt độ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt.

- Áp suất: Khi ta tăng áp suất của hệ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (từ phải sang trái) tức là cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol phân tử khí (giảm áp suất).

* Bài 6 trang 163 SGK Hóa 10: Xét các hệ cân bằng sau trong một bình kín:

 C(r) + H2O(k) 

CO(k) + H2(k)  ΔH>0 (1)

 CO(k) + H2O(k) 

CO2(k) + H2(k)   ΔH<0 (2)

Các cân bằng trên chuyển dịch như thế nào khi biến đổi trong một các điều kiện sau?

a) Tăng nhiệt độ.

b) Thêm lượng hơi nước vào.

c) Thêm khí H2 ra.

d) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống.

e) Dùng chất xúc tác.

° Lời giải bài 6 trang 163 SGK Hóa 10:

- Cân bằng trong bình kín:

 C(r) + H2O(k) 

 CO(k) + H2(k)  ΔH>0 (1)

 CO(k) + H2O(k) 

 CO2(k) + H2(k)   ΔH<0 (2)

- Dựa vào nguyên lí chuyển dịch ta có bảng sau:

	Phản ứng (1)	Phản ứng (2)
Tăng nhiệt độ	→	←
Thêm hơi nước	→	→
Thêm khí H2	←	←
Tăng áp suất	←	Tổng số mol khí 2 vế bằng nhau nên áp suất không ảnh hưởng tới chuyển dịch cân bằng.
Chất xúc tác	Không đổi	Không đổi

* Bài 7 trang 163 SGK Hóa 10: Clo phản ứng với nước theo phương trình hóa học sau:

Cl2 + H2O 

 HClO + HCl

Dưới tác dụng của ánh sáng, HClO bị phân hủy theo phản ứng:

2HClO 

 2HCl + O2.

Giải thích tại sao nước clo (dung dịch clo trong nước) không bảo quản được lâu.

° Lời giải bài 7 trang 163 SGK Hóa 10:

- Nước Clo không bảo quản được lâu vì HClO không bền dưới ánh sáng nên bị phân hủy hoàn toàn tạo thành HCl và O2. Khi đó phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận do nồng độ HClO giảm, Cl2 tác dụng từ từ với H2O cho tới hết, HClO cũng bị phân hủy dần đến hết.