Bài học

Cân bằng hóa học: Kc và nguyên lý Le Chatelier

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng biểu thức hằng số cân bằng $K_c$ cho một phản ứng thuận nghịch, tính được $K_c$ từ nồng độ cân bằng, và vận dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier để dự đoán chiều chuyển dịch khi hệ chịu tác động của nồng độ, áp suất hoặc nhiệt độ.

Kiến thức nền cần nhớ

Course 1 của chương trình đã cho em làm quen với phản ứng thuận nghịch (kí hiệu $\rightleftharpoons$ ) và trạng thái cân bằng — thời điểm tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, nồng độ các chất không đổi theo thời gian nhưng phản ứng vẫn diễn ra ở cả hai chiều. Bài ôn tập này gộp lại toàn bộ công cụ định lượng và định tính của mảng cân bằng: biểu thức $K_c$ , và nguyên lý Le Chatelier với bốn yếu tố tác động.

Course 1 của chương trình đã cho em làm quen với phản ứng thuận nghịch (kí hiệu $\rightleftharpoons$) và trạng thái cân bằng — thời điểm tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, nồng độ các chất không đổi theo thời gian nhưng phản ứng vẫn diễn ra ở cả hai chiều. Bài ôn tập này gộp lại toàn bộ công cụ định lượng và định tính của mảng cân bằng: biểu thức $K_c$, và nguyên lý Le Chatelier với bốn yếu tố tác động.

Khởi động

Quy trình Haber tổng hợp ammonia trong công nghiệp dùng áp suất rất cao (150–300 atm), nhiệt độ chỉ vừa phải (400–450 °C, không phải càng cao càng tốt) và xúc tác sắt. Vì sao nhà máy không đẩy nhiệt độ lên thật cao để phản ứng nhanh hơn?

Kiến thức trọng tâm

Với phản ứng thuận nghịch tổng quát $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ (các chất đều ở thể khí hoặc tan trong dung dịch), hằng số cân bằng theo nồng độ được viết:

$K_c = \dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$

trong đó $[X]$ là nồng độ mol của chất X tại thời điểm cân bằng. Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức vì nồng độ của chúng coi như không đổi. $K_c$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ — không phụ thuộc nồng độ ban đầu, không phụ thuộc áp suất hay có mặt xúc tác hay không. $K_c$ càng lớn, cân bằng càng nghiêng về phía tạo sản phẩm.

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

Áp dụng cho từng yếu tố: Nồng độ — thêm một chất vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm chất đó (tiêu thụ bớt); lấy bớt một chất ra, cân bằng chuyển dịch theo chiều sinh thêm chất đó. Áp suất/thể tích (chỉ có ý nghĩa khi phản ứng có chất khí và hai vế có số mol khí khác nhau) — nén thể tích bình phản ứng (tăng áp suất chung), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí; giãn thể tích (giảm áp suất) thì ngược lại. Nếu tổng số mol khí hai vế bằng nhau, áp suất không làm chuyển dịch cân bằng. Nhiệt độ — với phản ứng tỏa nhiệt ( $\Delta_rH^\circ < 0$ ), tăng nhiệt độ đẩy cân bằng theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt, để hấp thu bớt nhiệt vừa thêm vào); với phản ứng thu nhiệt thì tăng nhiệt độ đẩy cân bằng theo chiều thuận. Xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng — nó làm tăng tốc độ cả phản ứng thuận lẫn phản ứng nghịch như nhau, nên hệ chỉ đạt tới đúng trạng thái cân bằng cũ nhanh hơn, chứ không đổi vị trí cân bằng.

Trở lại quy trình Haber: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ , $\Delta_rH^\circ < 0$ (tỏa nhiệt) và số mol khí giảm từ 4 xuống 2 khi phản ứng theo chiều thuận. Xét riêng vị trí cân bằng, áp suất càng cao và nhiệt độ càng thấp đều có lợi cho chiều thuận. Nhưng nhiệt độ quá thấp làm tốc độ phản ứng chậm đến mức không có lợi thực tế — chờ hệ đạt cân bằng sẽ mất quá nhiều thời gian, không phù hợp với sản xuất công nghiệp. Vì vậy nhà máy chọn một mức nhiệt độ trung gian (400–450 °C) để cân bằng giữa hai đòi hỏi trái chiều — vị trí cân bằng thuận lợi và tốc độ đạt cân bằng đủ nhanh — kết hợp áp suất cao và xúc tác sắt để bù lại phần hiệu suất mất do nhiệt độ không thấp tuyệt đối.

Với phản ứng thuận nghịch tổng quát $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ (các chất đều ở thể khí hoặc tan trong dung dịch), hằng số cân bằng theo nồng độ được viết: $$K_c = \dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$ trong đó $[X]$ là nồng độ mol của chất X tại thời điểm cân bằng. Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức vì nồng độ của chúng coi như không đổi. $K_c$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ — không phụ thuộc nồng độ ban đầu, không phụ thuộc áp suất hay có mặt xúc tác hay không. $K_c$ càng lớn, cân bằng càng nghiêng về phía tạo sản phẩm. **Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier** phát biểu: khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng chịu một tác động từ bên ngoài (thay đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt tác động đó. Áp dụng cho từng yếu tố: **Nồng độ** — thêm một chất vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm chất đó (tiêu thụ bớt); lấy bớt một chất ra, cân bằng chuyển dịch theo chiều sinh thêm chất đó. **Áp suất/thể tích** (chỉ có ý nghĩa khi phản ứng có chất khí và hai vế có số mol khí khác nhau) — nén thể tích bình phản ứng (tăng áp suất chung), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí; giãn thể tích (giảm áp suất) thì ngược lại. Nếu tổng số mol khí hai vế bằng nhau, áp suất không làm chuyển dịch cân bằng. **Nhiệt độ** — với phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta_rH^\circ < 0$), tăng nhiệt độ đẩy cân bằng theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt, để hấp thu bớt nhiệt vừa thêm vào); với phản ứng thu nhiệt thì tăng nhiệt độ đẩy cân bằng theo chiều thuận. **Xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng** — nó làm tăng tốc độ cả phản ứng thuận lẫn phản ứng nghịch như nhau, nên hệ chỉ đạt tới đúng trạng thái cân bằng cũ nhanh hơn, chứ không đổi vị trí cân bằng. Trở lại quy trình Haber: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$, $\Delta_rH^\circ < 0$ (tỏa nhiệt) và số mol khí giảm từ 4 xuống 2 khi phản ứng theo chiều thuận. Xét riêng vị trí cân bằng, áp suất càng cao và nhiệt độ càng thấp đều có lợi cho chiều thuận. Nhưng nhiệt độ quá thấp làm tốc độ phản ứng chậm đến mức không có lợi thực tế — chờ hệ đạt cân bằng sẽ mất quá nhiều thời gian, không phù hợp với sản xuất công nghiệp. Vì vậy nhà máy chọn một mức nhiệt độ trung gian (400–450 °C) để cân bằng giữa hai đòi hỏi trái chiều — vị trí cân bằng thuận lợi và tốc độ đạt cân bằng đủ nhanh — kết hợp áp suất cao và xúc tác sắt để bù lại phần hiệu suất mất do nhiệt độ không thấp tuyệt đối.

Ví dụ

Viết biểu thức và tính

K_c

Viết biểu thức và tính $K_c$

1
Cho phản ứng $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$ trong một bình kín tại nhiệt độ không đổi. Viết biểu thức $K_c$ , sau đó tính giá trị $K_c$ biết tại cân bằng $[H_2] = 0{,}5$ M, $[I_2] = 0{,}5$ M, $[HI] = 3{,}5$ M.
Cho phản ứng $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$ trong một bình kín tại nhiệt độ không đổi. Viết biểu thức $K_c$, sau đó tính giá trị $K_c$ biết tại cân bằng $[H_2] = 0{,}5$ M, $[I_2] = 0{,}5$ M, $[HI] = 3{,}5$ M.
2
Theo định nghĩa hằng số cân bằng, với hệ số cân bằng của $HI$ là 2: $K_c = \dfrac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$
Theo định nghĩa hằng số cân bằng, với hệ số cân bằng của $HI$ là 2: $$K_c = \dfrac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}$$
3
Ta có $[HI]^2 = 3{,}5^2 = 12{,}25$ ; $[H_2][I_2] = 0{,}5 \times 0{,}5 = 0{,}25$ . Suy ra $K_c = \dfrac{12{,}25}{0{,}25} = 49$ .
Ta có $[HI]^2 = 3{,}5^2 = 12{,}25$; $[H_2][I_2] = 0{,}5 \times 0{,}5 = 0{,}25$. Suy ra $K_c = \dfrac{12{,}25}{0{,}25} = 49$.
4
Vậy $K_c = 49$ tại nhiệt độ đã cho. Vì $K_c$ khá lớn (lớn hơn 1 nhiều), cân bằng nghiêng mạnh về phía tạo sản phẩm HI so với hai chất đầu.
Vậy $K_c = 49$ tại nhiệt độ đã cho. Vì $K_c$ khá lớn (lớn hơn 1 nhiều), cân bằng nghiêng mạnh về phía tạo sản phẩm HI so với hai chất đầu.

Ví dụ

Dự đoán chiều chuyển dịch — dạng thi nhiều yếu tố

1
Cho cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ , $\Delta_rH^\circ < 0$ (phản ứng tỏa nhiệt, đây cũng là giai đoạn chính trong sản xuất acid sulfuric). Hệ đang ở trạng thái cân bằng trong một bình kín có pit-tông. Xác định chiều chuyển dịch cân bằng khi lần lượt: (a) tăng nhiệt độ hệ; (b) nén pit-tông để giảm thể tích bình xuống một nửa; (c) thêm xúc tác $V_2O_5$ .
Cho cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$, $\Delta_rH^\circ < 0$ (phản ứng tỏa nhiệt, đây cũng là giai đoạn chính trong sản xuất acid sulfuric). Hệ đang ở trạng thái cân bằng trong một bình kín có pit-tông. Xác định chiều chuyển dịch cân bằng khi lần lượt: (a) tăng nhiệt độ hệ; (b) nén pit-tông để giảm thể tích bình xuống một nửa; (c) thêm xúc tác $V_2O_5$.
2
Phản ứng tỏa nhiệt ( $\Delta_rH^\circ < 0$ ). Theo Le Chatelier, tăng nhiệt độ là thêm nhiệt vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt để giảm bớt tác động — tức là chiều nghịch. Do đó tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, lượng $SO_3$ giảm.
Phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta_rH^\circ < 0$). Theo Le Chatelier, tăng nhiệt độ là thêm nhiệt vào hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt để giảm bớt tác động — tức là chiều nghịch. Do đó tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, lượng $SO_3$ giảm.
3
Tổng số mol khí vế trái là $2 + 1 = 3$ , vế phải là 2. Nén thể tích làm tăng áp suất chung; theo Le Chatelier, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí — tức chiều thuận (từ 3 mol khí xuống 2 mol khí). Vậy nén thể tích làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, lượng $SO_3$ tăng.
Tổng số mol khí vế trái là $2 + 1 = 3$, vế phải là 2. Nén thể tích làm tăng áp suất chung; theo Le Chatelier, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí — tức chiều thuận (từ 3 mol khí xuống 2 mol khí). Vậy nén thể tích làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, lượng $SO_3$ tăng.
4
Xúc tác $V_2O_5$ làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với cùng một tỉ lệ, không làm thay đổi vị trí cân bằng — cân bằng KHÔNG chuyển dịch, hệ chỉ đạt tới trạng thái cân bằng (vốn không đổi) nhanh hơn.
Xúc tác $V_2O_5$ làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với cùng một tỉ lệ, không làm thay đổi vị trí cân bằng — cân bằng KHÔNG chuyển dịch, hệ chỉ đạt tới trạng thái cân bằng (vốn không đổi) nhanh hơn.
5
Vậy: (a) chuyển dịch nghịch, (b) chuyển dịch thuận, (c) không chuyển dịch. Đây chính là lý do thực tế công nghiệp sản xuất $H_2SO_4$ nén áp suất khá cao và không đẩy nhiệt độ lên quá cao cho giai đoạn oxi hóa $SO_2$ thành $SO_3$ này.
Vậy: (a) chuyển dịch nghịch, (b) chuyển dịch thuận, (c) không chuyển dịch. Đây chính là lý do thực tế công nghiệp sản xuất $H_2SO_4$ nén áp suất khá cao và không đẩy nhiệt độ lên quá cao cho giai đoạn oxi hóa $SO_2$ thành $SO_3$ này.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: tính nồng độ cân bằng từ

K_c

Bài toán tổng hợp: tính nồng độ cân bằng từ $K_c$

1
Ở một nhiệt độ xác định, cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ có $K_c = 4{,}63 \times 10^{-3}$ . Ban đầu cho 1 mol $N_2O_4$ vào bình kín dung tích 1 lít, không có $NO_2$ . Gọi $x$ là số mol $N_2O_4$ đã phân li khi hệ đạt cân bằng. Lập biểu thức $K_c$ theo $x$ và giải thích vì sao có thể coi gần đúng $x$ rất nhỏ so với 1.
Ở một nhiệt độ xác định, cân bằng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ có $K_c = 4{,}63 \times 10^{-3}$. Ban đầu cho 1 mol $N_2O_4$ vào bình kín dung tích 1 lít, không có $NO_2$. Gọi $x$ là số mol $N_2O_4$ đã phân li khi hệ đạt cân bằng. Lập biểu thức $K_c$ theo $x$ và giải thích vì sao có thể coi gần đúng $x$ rất nhỏ so với 1.
2
Vì thể tích bình là 1 lít nên số mol cũng chính là nồng độ mol. Ban đầu: $[N_2O_4]_0 = 1$ , $[NO_2]_0 = 0$ . Biến đổi: $N_2O_4$ giảm $x$ , $NO_2$ tăng $2x$ (theo hệ số cân bằng). Tại cân bằng: $[N_2O_4] = 1 - x$ , $[NO_2] = 2x$ .
Vì thể tích bình là 1 lít nên số mol cũng chính là nồng độ mol. Ban đầu: $[N_2O_4]_0 = 1$, $[NO_2]_0 = 0$. Biến đổi: $N_2O_4$ giảm $x$, $NO_2$ tăng $2x$ (theo hệ số cân bằng). Tại cân bằng: $[N_2O_4] = 1 - x$, $[NO_2] = 2x$.
3
$K_c = \dfrac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \dfrac{(2x)^2}{1-x} = \dfrac{4x^2}{1-x} = 4{,}63 \times 10^{-3}$
$$K_c = \dfrac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \dfrac{(2x)^2}{1-x} = \dfrac{4x^2}{1-x} = 4{,}63 \times 10^{-3}$$
4
Vì $K_c$ rất nhỏ so với 1, cân bằng nghiêng mạnh về phía $N_2O_4$ chưa phân li, nên $x$ chắc chắn nhỏ hơn 1 rất nhiều — hợp lý để coi gần đúng $1 - x \approx 1$ . Khi đó phương trình rút gọn còn $4x^2 \approx 4{,}63 \times 10^{-3}$ , suy ra $x^2 \approx 1{,}158 \times 10^{-3}$ , do đó $x \approx 0{,}034$ mol.
Vì $K_c$ rất nhỏ so với 1, cân bằng nghiêng mạnh về phía $N_2O_4$ chưa phân li, nên $x$ chắc chắn nhỏ hơn 1 rất nhiều — hợp lý để coi gần đúng $1 - x \approx 1$. Khi đó phương trình rút gọn còn $4x^2 \approx 4{,}63 \times 10^{-3}$, suy ra $x^2 \approx 1{,}158 \times 10^{-3}$, do đó $x \approx 0{,}034$ mol.
5
Kiểm tra điều kiện gần đúng: $x \approx 0{,}034 \ll 1$ (TMĐK giả thiết ban đầu). Vậy tại cân bằng $[N_2O_4] \approx 0{,}966$ M, $[NO_2] \approx 0{,}068$ M — chỉ khoảng 3,4% lượng $N_2O_4$ ban đầu bị phân li ở nhiệt độ này.
Kiểm tra điều kiện gần đúng: $x \approx 0{,}034 \ll 1$ (TMĐK giả thiết ban đầu). Vậy tại cân bằng $[N_2O_4] \approx 0{,}966$ M, $[NO_2] \approx 0{,}068$ M — chỉ khoảng 3,4% lượng $N_2O_4$ ban đầu bị phân li ở nhiệt độ này.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ xúc tác cũng làm chuyển dịch cân bằng theo chiều có lợi — SAI. Xúc tác chỉ rút ngắn thời gian đạt cân bằng, không đổi vị trí cân bằng. Một lỗi khác: khi so sánh áp suất, quên rằng chỉ chất khí mới tính vào tổng số mol — chất rắn, chất lỏng không tính.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$K_c$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ, chỉ chứa chất khí/tan trong dung dịch (bỏ rắn, lỏng nguyên chất). Le Chatelier: hệ luôn chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động vừa gây ra — nồng độ, áp suất (qua tổng mol khí), nhiệt độ (theo chiều tỏa/thu nhiệt). Xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng.

Bài tiếp theo ôn lại phần cân bằng trong dung dịch nước: sự điện li, thuyết acid–base Brønsted–Lowry và cách tính pH — một ứng dụng trực tiếp của tư duy cân bằng vừa ôn ở trên.