Bài 1. Khái niệm về cân bằng hóa học

a) Định nghĩa

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo cả hai chiều thuận và nghịch trong cùng điều kiện.

Kí hiệu: ⇌ (mũi tên hai chiều)

Ví dụ:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

• Chiều thuận: N₂ + 3H₂ → 2NH₃
• Chiều nghịch: 2NH₃ → N₂ + 3H₂

b) Phân biệt phản ứng thuận nghịch và một chiều

c) Điều kiện phản ứng thuận nghịch

• Phản ứng xảy ra trong hệ kín
• Cả chất phản ứng và sản phẩm đều tồn tại
• Tốc độ thuận và nghịch có thể bằng nhau

a) 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.

Đặc điểm:

• v(thuận) = v(nghịch)
• Nồng độ các chất không đổi theo thời gian
• Phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra (cân bằng động)

b) Cân bằng động

Ở trạng thái cân bằng:

• Phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra
• Tốc độ hai chiều bằng nhau
• Nồng độ các chất không đổi (nhưng không nhất thiết bằng nhau)

c) Biểu diễn đồ thị

Đồ thị nồng độ - thời gian:

- Ban đầu: [Chất phản ứng] giảm, [Sản phẩm] tăng

- Cân bằng: Các nồng độ không đổi

Đồ thị tốc độ - thời gian:

- Ban đầu: v(thuận) lớn, v(nghịch) = 0

- Dần dần: v(thuận) giảm, v(nghịch) tăng

- Cân bằng: v(thuận) = v(nghịch)

a) Định nghĩa

Cho phản ứng: aA + bB ⇌ cC + dD

Hằng số cân bằng:

K = ([C]^c × [D]^d) / ([A]^a × [B]^b)

Trong đó: [X] là nồng độ mol/L của chất X ở trạng thái cân bằng

b) Ý nghĩa của K

• K lớn (K >> 1): Cân bằng chuyển mạnh về phía sản phẩm
• K nhỏ (K << 1): Cân bằng chuyển mạnh về phía chất phản ứng
• K ≈ 1: Cân bằng ở vị trí trung gian

c) Tính chất của K

• K chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
• K không phụ thuộc vào nồng độ ban đầu
• K không phụ thuộc vào áp suất, xúc tác

d) Ví dụ tính K

Phản ứng: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Hằng số cân bằng:

K = [NH₃]² / ([N₂] × [H₂]³)

Nếu ở cân bằng: [N₂] = 0.2 M, [H₂] = 0.3 M, [NH₃] = 0.4 M

K = (0.4)² / (0.2 × (0.3)³) = 0.16 / (0.2 × 0.027) = 0.16 / 0.0054 ≈ 29.6

Nguyên lí Le Chatelier

Khi tác động vào hệ cân bằng bằng một yếu tố bên ngoài (nồng độ, nhiệt độ, áp suất), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại tác động đó.

a) Ảnh hưởng của nồng độ

• Tăng nồng độ chất phản ứng: Cân bằng chuyển theo chiều thuận
• Tăng nồng độ sản phẩm: Cân bằng chuyển theo chiều nghịch
• Giảm nồng độ: Cân bằng chuyển theo chiều tạo ra chất đó

Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Tăng [N₂] hoặc [H₂] → Cân bằng chuyển sang phải (tạo thêm NH₃)

b) Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Tăng nhiệt độ: Cân bằng chuyển theo chiều thu nhiệt (ΔH > 0)
• Giảm nhiệt độ: Cân bằng chuyển theo chiều tỏa nhiệt (ΔH < 0)

Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ ΔH < 0 (tỏa nhiệt)

Tăng nhiệt độ → Cân bằng chuyển sang trái (giảm NH₃)

c) Ảnh hưởng của áp suất (với phản ứng khí)

• Tăng áp suất: Cân bằng chuyển theo chiều giảm số mol khí
• Giảm áp suất: Cân bằng chuyển theo chiều tăng số mol khí

Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃

Trái: 1 + 3 = 4 mol khí; Phải: 2 mol khí

Tăng áp suất → Cân bằng chuyển sang phải (giảm số mol)

d) Ảnh hưởng của chất xúc tác

• Chất xúc tác làm tăng tốc độ cả hai chiều như nhau
• Không làm chuyển dịch cân bằng
• Giúp đạt cân bằng nhanh hơn