Bài 50: Cân bằng hóa học – Bài 4 trang 213 SGK Hóa học 10 Nâng cao. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là gì? 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?
Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là gì? 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?
– 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.
– Những yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học là: nồng độ, áp suất và nhiệt độ.
– Chất xúc tác không 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 có tác dụng làm cho phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng nhanh chóng hơn.
Cân bằng hóa học là trạng thái mà cả chất phản ứng và sản phẩm đều có nồng độ không có xu hướng thay đổi theo thời gian, do đó không có sự thay đổi có thể quan sát được về tính chất của hệ thống
1. Một số khái niệm Cân bằng hóa học
– Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo 2 chiều thuận và nghịch trong cùng điều kiện.
– Cân bằng hoá học là trạng thái của hệ phản ứng thuận nghịch mà ở đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
– Cân bằng hoá học là cân bằng động vì tại trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và nghịch vẫn tiếp tục xảy ra nhưng với tốc độ bằng nhau nên không làm thay đổi nồng độ của các chất trong hệ phản ứng.
– Biểu thức tính hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch: nA + mB ↔ pC + qD là:
Kcb =[C]p.[D]q/[A]a.[B]b
Chú ý: hằng số tốc độ của phản ứng cũng như hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch chỉ phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ.
2. Sự chuyển dịch cân bằng hoá học
Các yếu tố ảnh hưởng cân bằng hóa học gồm: Nồng độ, nhiệt độ, áp suất[ chỉ xét những pư có mặt chất khí]. Chú ý chất xúc tác không ảnh hưởng tới cân bằng hóa học mà chỉ làm tăng tốc độ phản ứng, làm pư nhanh đạt tới trạng thái cân bằng
Nguyên lý chuyển dịch cân bằng: Cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại các tác động từ bên ngoài.
+>> Nếu tăng nồng độ của chất A thì pư chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng đọ chất A và ngược lại
+>> Nếu tăng áp suất của hệ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất[ Chiều có ít số mol khí hơn] và ngược lại
+>> Nếu tăng nhiệt độ thì pư chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ
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.
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.
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.
Xem thêm:
Tổng hợp từ điển hóa học phổ thông
1. Nguyên lý chuyển dịch 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, áp suất, nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.
2. Giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học
- Khi hệ phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng nếu ta thay đổi điều kiện nào đó thì cân bằng hoá học sẽ bị phá vỡ và hệ sẽ chuyển dịch đến một trạng thái cân bằng mới.
+ Nếu tăng nồng độ một chất thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều mà chất đó là chất tham gia phản ứng, còn nếu giảm nồng độ của một chất thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều sinh ra chất đó.
+ Khi tăng nhiệt độ thì cân bằng hoá học chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt [có ΔH > 0]. Còn khi giảm nhiệt độ thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều của phản ứng toả nhiệt [có ΔH < 0].
+ Khi tăng áp suất thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm số phân tử khí và ngược lại khi giảm áp suất thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều làm tăng số phân tử khí. Như vậy áp suất chỉ ảnh hưởng đến các phản ứng có số phân tử khí ở 2 vế của phương trình khác nhau.
+ Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học mà chỉ làm cho hệ nhanh đạt đến trạng thái cân bằng.
Ví dụ: Xét các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng sau:
2SO2 [k] + O2 [k] ⇆ 2SO3 [k] [∆H < 0]
Nồng độ:Nếu tăng nồng độ khí thì O2cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm nồng độ khí O2.
$ \Rightarrow $ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
Nhiệt độ:[∆H < 0: phản ứng tỏa nhiệt; ∆H > 0: phản ứng thu nhiệt].
- Nếu tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm nhiệt độ.
Mà trong cân bằng trên chiều thuận là chiều tỏa nhiệt $ \Rightarrow $ cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.
Áp suất:Nếu tăng áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm áp suất [số mol nhỏ hơn].
Mà trong cân bằng trên tổng số mol khí chất phản ứng [1 + 2 = 3] lớn hơn số mol khí chất sản phẩm [bằng 2].
$ \Rightarrow $ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
Lưu ý: nếu tổng số mol khí ở hai vế của cân bằng hóa học bằng nhau thì áp suất không làm chuyển dịch cân bằng.
Chất xúc tác: không làm chuyển dịch cân bằng.