Bài học

Sự chuyển dịch cân bằng — nguyên lí Le Chatelier

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu đúng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier, giải thích được thế nào là "sự chuyển dịch cân bằng", và dự đoán được chiều chuyển dịch của một cân bằng khi hệ chịu một tác động cụ thể từ bên ngoài.

Kiến thức nền cần nhớ

Hai chương trước đã cho biết một hệ ở trạng thái cân bằng có tốc độ hai chiều bằng nhau và nồng độ mỗi chất không đổi ( $K_C$ giữ nguyên giá trị ở một nhiệt độ cố định). Bài này đặt câu hỏi tiếp theo: nếu ta chủ động can thiệp vào hệ đang ở trạng thái cân bằng đó — bằng cách thêm chất, nén bình, hay đun nóng — điều gì sẽ xảy ra?

Hai chương trước đã cho biết một hệ ở trạng thái cân bằng có tốc độ hai chiều bằng nhau và nồng độ mỗi chất không đổi ($K_C$ giữ nguyên giá trị ở một nhiệt độ cố định). Bài này đặt câu hỏi tiếp theo: nếu ta chủ động can thiệp vào hệ đang ở trạng thái cân bằng đó — bằng cách thêm chất, nén bình, hay đun nóng — điều gì sẽ xảy ra?

Khởi động

Bình phản ứng chứa hỗn hợp khí $N_2O_4$ không màu và $NO_2$ màu nâu đỏ đang ở trạng thái cân bằng, giữ nguyên một màu nâu nhạt ổn định. Nếu bất ngờ nén pit-tông để giảm thể tích bình xuống một nửa, màu của hỗn hợp khí có thay đổi không? Nếu có, nó sẽ đậm lên hay nhạt đi?

Kiến thức trọng tâm

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier phát biểu: một hệ đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu tác động từ bên ngoài làm thay đổi nồng độ, áp suất, hay nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt tác động đó.

Đây là một nguyên lí định tính — nói cách khác, nó cho biết chiều chuyển dịch (thuận hay nghịch), chứ chưa cho biết mức độ chuyển dịch nhiều hay ít. Áp dụng nguyên lí này cần ba bước: (1) xác định hệ đang chịu tác động gì (thêm/bớt chất nào, tăng/giảm áp suất, tăng/giảm nhiệt độ); (2) xác định chiều nào của phản ứng sẽ "chống lại", tức làm giảm bớt tác động đó; (3) kết luận cân bằng chuyển dịch theo chiều đó.

Ví dụ với cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ (không màu $\rightleftharpoons$ màu nâu đỏ): nếu nén bình (giảm thể tích), áp suất chung của hệ tăng lên — đây là tác động. Chiều phản ứng làm giảm số mol khí trong bình sẽ làm giảm bớt áp suất tăng thêm đó; vì bên trái có 1 mol khí, bên phải có 2 mol khí, nên chiều nghịch (tạo $N_2O_4$ , giảm số mol khí) là chiều "chống lại" tác động tăng áp suất. Vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, màu nâu đỏ của hỗn hợp sẽ nhạt bớt do $[NO_2]$ giảm.

Cần phân biệt rõ hai điều dễ nhầm lẫn: nguyên lí Le Chatelier chỉ dự đoán được chiều cân bằng sẽ dịch chuyển, chứ không cho biết cân bằng mới giống hay khác cân bằng cũ về giá trị tuyệt đối, và cũng không làm thay đổi $K_C$ nếu nhiệt độ không đổi — chỉ nồng độ các chất tại cân bằng mới khác so với cân bằng cũ, còn tỉ số trong biểu thức $K_C$ vẫn giữ nguyên giá trị.

Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng chịu tác động làm thay đổi một trong các yếu tố nồng độ, áp suất, hoặc nhiệt độ, cân bằng cũ (với $v_t = v_n$) bị phá vỡ — tốc độ hai chiều tạm thời không còn bằng nhau nữa. Phản ứng khi đó diễn ra theo một chiều nào đó (thuận hoặc nghịch), khiến nồng độ các chất thay đổi, cho tới khi tốc độ hai chiều lại bằng nhau ở một trạng thái cân bằng mới. Quá trình chuyển từ cân bằng cũ sang cân bằng mới như vậy gọi là **sự chuyển dịch cân bằng**. **Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier** phát biểu: một hệ đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu tác động từ bên ngoài làm thay đổi nồng độ, áp suất, hay nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều **làm giảm bớt tác động đó**. Đây là một nguyên lí định tính — nói cách khác, nó cho biết *chiều* chuyển dịch (thuận hay nghịch), chứ chưa cho biết mức độ chuyển dịch nhiều hay ít. Áp dụng nguyên lí này cần ba bước: (1) xác định hệ đang chịu tác động gì (thêm/bớt chất nào, tăng/giảm áp suất, tăng/giảm nhiệt độ); (2) xác định chiều nào của phản ứng sẽ "chống lại", tức làm giảm bớt tác động đó; (3) kết luận cân bằng chuyển dịch theo chiều đó. Ví dụ với cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ (không màu $\rightleftharpoons$ màu nâu đỏ): nếu nén bình (giảm thể tích), áp suất chung của hệ tăng lên — đây là tác động. Chiều phản ứng làm giảm số mol khí trong bình sẽ làm giảm bớt áp suất tăng thêm đó; vì bên trái có 1 mol khí, bên phải có 2 mol khí, nên chiều nghịch (tạo $N_2O_4$, giảm số mol khí) là chiều "chống lại" tác động tăng áp suất. Vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, màu nâu đỏ của hỗn hợp sẽ nhạt bớt do $[NO_2]$ giảm. Cần phân biệt rõ hai điều dễ nhầm lẫn: nguyên lí Le Chatelier chỉ dự đoán được **chiều** cân bằng sẽ dịch chuyển, chứ không cho biết cân bằng mới giống hay khác cân bằng cũ về giá trị tuyệt đối, và cũng **không làm thay đổi $K_C$** nếu nhiệt độ không đổi — chỉ nồng độ các chất tại cân bằng mới khác so với cân bằng cũ, còn tỉ số trong biểu thức $K_C$ vẫn giữ nguyên giá trị.

Ví dụ

Dự đoán chiều chuyển dịch khi nén bình chứa cân bằng NO2/N2O4

1
Cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ đang ổn định trong một bình có pit-tông. Nếu đẩy pit-tông để giảm thể tích bình xuống, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Màu của hỗn hợp khí thay đổi ra sao?
Cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ đang ổn định trong một bình có pit-tông. Nếu đẩy pit-tông để giảm thể tích bình xuống, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Màu của hỗn hợp khí thay đổi ra sao?
2
Giảm thể tích bình ở nhiệt độ không đổi làm tăng áp suất chung của hệ khí — đây là tác động từ bên ngoài.
3
Cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, tức chiều làm giảm tổng số mol khí. Vế trái có 1 mol khí ( $N_2O_4$ ), vế phải có 2 mol khí ( $NO_2$ ) — chiều nghịch (tạo $N_2O_4$ ) làm giảm số mol khí.
Cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, tức chiều làm giảm tổng số mol khí. Vế trái có 1 mol khí ($N_2O_4$), vế phải có 2 mol khí ($NO_2$) — chiều nghịch (tạo $N_2O_4$) làm giảm số mol khí.
4
Vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Do $[NO_2]$ giảm bớt, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí nhạt đi so với trước khi nén.
Vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Do $[NO_2]$ giảm bớt, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí nhạt đi so với trước khi nén.

Ví dụ

Dự đoán chiều chuyển dịch khi bơm thêm sản phẩm vào bình

1
Cân bằng $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ đang ổn định trong một bình kín thể tích không đổi. Nếu bơm thêm một lượng khí $NH_3$ vào bình (giữ nguyên nhiệt độ, thể tích), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào? Nồng độ $N_2$ sau khi cân bằng mới được thiết lập so với trước khi bơm thêm $NH_3$ thay đổi thế nào?
Cân bằng $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ đang ổn định trong một bình kín thể tích không đổi. Nếu bơm thêm một lượng khí $NH_3$ vào bình (giữ nguyên nhiệt độ, thể tích), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào? Nồng độ $N_2$ sau khi cân bằng mới được thiết lập so với trước khi bơm thêm $NH_3$ thay đổi thế nào?
2
Bơm thêm $NH_3$ làm tăng nồng độ $NH_3$ — sản phẩm của phản ứng — so với trạng thái cân bằng cũ.
Bơm thêm $NH_3$ làm tăng nồng độ $NH_3$ — sản phẩm của phản ứng — so với trạng thái cân bằng cũ.
3
Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt lượng $NH_3$ vừa thêm vào, tức chiều nghịch: $2NH_3 \to N_2 + 3H_2$ .
Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt lượng $NH_3$ vừa thêm vào, tức chiều nghịch: $2NH_3 \to N_2 + 3H_2$.
4
Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Vì chiều nghịch sinh thêm $N_2$ , nồng độ $N_2$ tại cân bằng mới cao hơn so với nồng độ $N_2$ tại cân bằng cũ (trước khi bơm thêm $NH_3$ ) — dù vẫn thấp hơn thời điểm ngay sau khi bơm nếu tính theo hướng khác, điều cốt lõi cần nắm là chiều chuyển dịch, không phải giá trị tuyệt đối cuối cùng.
Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Vì chiều nghịch sinh thêm $N_2$, nồng độ $N_2$ tại cân bằng mới **cao hơn** so với nồng độ $N_2$ tại cân bằng cũ (trước khi bơm thêm $NH_3$) — dù vẫn thấp hơn thời điểm ngay sau khi bơm nếu tính theo hướng khác, điều cốt lõi cần nắm là chiều chuyển dịch, không phải giá trị tuyệt đối cuối cùng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh áp dụng sai nguyên lí Le Chatelier theo kiểu "thêm chất nào thì chất đó tăng lên mãi". Cần nhớ nguyên lí nói về chiều chuyển dịch của phản ứng để giảm bớt — không phải triệt tiêu hoàn toàn — tác động vừa gây ra. Sau khi bơm thêm $NH_3$ ở ví dụ trên, nồng độ $NH_3$ tại cân bằng mới vẫn cao hơn nồng độ $NH_3$ ở cân bằng cũ (chỉ là thấp hơn ngay-sau-khi-bơm), vì phản ứng nghịch chỉ tiêu thụ một phần, không tiêu thụ hết lượng vừa thêm vào.

Nhiều học sinh áp dụng sai nguyên lí Le Chatelier theo kiểu "thêm chất nào thì chất đó tăng lên mãi". Cần nhớ nguyên lí nói về chiều chuyển dịch của phản ứng để *giảm bớt* — không phải *triệt tiêu hoàn toàn* — tác động vừa gây ra. Sau khi bơm thêm $NH_3$ ở ví dụ trên, nồng độ $NH_3$ tại cân bằng mới vẫn cao hơn nồng độ $NH_3$ ở cân bằng cũ (chỉ là thấp hơn ngay-sau-khi-bơm), vì phản ứng nghịch chỉ tiêu thụ *một phần*, không tiêu thụ hết lượng vừa thêm vào.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nguyên lí Le Chatelier: hệ đang cân bằng, chịu tác động thay đổi nồng độ/áp suất/nhiệt độ, sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt tác động đó. Ba bước áp dụng: xác định tác động → xác định chiều "chống lại" → kết luận chiều chuyển dịch. Đây là nguyên lí định tính, chỉ cho biết chiều, không cho biết mức độ.

Bài tiếp theo đi sâu vào yếu tố đầu tiên trong ba yếu tố làm chuyển dịch cân bằng — nồng độ — với nhiều tình huống áp dụng cụ thể hơn, kể cả một mẹo dùng trong công nghiệp để tăng hiệu suất phản ứng thuận nghịch.