Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự chuyển dịch

a. Phản ứng một chiều

Là phản ứng xảy ra theo chiều xác định từ trái sang phải (dùng 1 mũi tên chỉ chiều phản ứng)

Ví dụ: KClO3  →   KCl  + O2

b. Phản ứng thuận nghịch

Là phản ứng xảy ra 2 chiều trái ngược nhau (dùng mũi tên 2 chiều chỉ phản ứng) (cùng điều kiện)

Ví dụ:  Cl2 + H2O ⇔ HCl + HClO

c. Cân bằng hóa học

Sự biến thiên tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng xảy ra chiều (1) (thuận): Vt

Tốc độ phản ứng xảy ra chiều (2) (nghịch): Vn

 Đến thời điểm Vt = Vn: cân bằng hoá học

Cân bằng hóa học là cân bằng động.

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

a. Thí nghiệm chuyển dịch cân bằng giữa NO2 và N2O4

b. Định nghĩa

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 cùa các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ-sa-tơ-li-ê: 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.

a. Ảnh hưởng của nồng độ

Thí nghiệm:  C +  CO2  ⇔  2CO 

Khi tăng nồng độ của CO2 → Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (nhằm làm giảm nồng độ CO2)

Khi giảm nồng độ của CO2 → Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (nhằm làm tăng nồng độ CO2)

Kết luận: Khi tăng nồng độ của một chất cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ của chất đó và ngược lại.

b. Ảnh hưởng của áp suất

Thí nghiệm: N2O4 (không màu) ⇔ 2NO2 (màu nâu đỏ)

                      1 mol                         2 mol

Khi tăng áp suất→Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (nhằm làm giảm áp suất tức làm giảm số mol khí)

Khi giảm áp suất→Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (nhằm làm tăng áp suất tức tăng số mol khí)

Kết luận: Khi tăng áp suất của hệ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất (tức làm giảm số mol khí) và ngược lại.

c. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Phản ứng thu nhiệt : ∆H >0 (làm nhiệt độ giảm)

Phản ứng tỏa nhiệt : ∆H <0 (làm nhiệt độ tăng)

Thí nghiệm: N2O4 (k) ⇔ 2NO2 (k)      ∆H >0

- Khi tăng nhiệt độ → Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều thu nhiệt nhằm làm giảm nhiệt độ).

- Khi giảm nhiệt độ → Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt nhằm làm tăng nhiệt độ).

Kết luận:

- Khi tăng nhiệt độ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (nhằm làm giảm nhiệt độ).

- Khi giảm nhiệt độ cân bằng hóa học chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt (nhằm làm tăng nhiệt độ).

d. Vai trò của chất xúc tác

Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và nghịch với số lần bằng nhau nên không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. 

Ví dụ 1: 2SO2 + O2 ⇔ 2SO3    ΔH < 0

Để thu được nhiều SO3 phải:

Tăng nồng độ O2 bằng cách dùng dư không khí.

Nếu giảm nhiệt độ thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm do đó phải thực hiện ở nhiệt độ hợp lí là 450-5000C và dùng thêm chất xúc tác là V2O5

Ví dụ 2: N2 + 3H2 ⇔ 2NH3    ΔH < 0 . 

Để thu được nhiều NH3 phải:

Thực hiện ở áp suất cao.

Nếu giảm nhiệt độ thì tốc độ phản ứng xảy ra chậm do đó phải thực hiện ở nhiệt độ hợp lí là 450-500oC và dùng thêm chất xúc tác là Fe, K2O và Al2O3.  

Tổng kết bài 38

SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC

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.”

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.

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) thì 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) thì 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 thì 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 thìcân bằng dịch chuyển theo chiều P giảm (giảm số mol khí ∆n < 0).

+ Nếu P giảm thì 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 thì P không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.

3. Ảnh hưởng của nồng độ đến sự dịch chuyển cân bằng

Xét phản ứng: aA  +  bB  ⇔  cC  +  dD

Có cân bằng ở T = const

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