Cân bằng hóa học, Sự chuyển dịch cân bằng hóa học, Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) - Hóa 10 bài 38

Vậy cân bằng hóa học là gì? Nguyên lý Lơ Satơliê (Le Chatelier) xét sự chuyển dịch cân bằng hóa học được phát biểu như thế nào? Các yếu tố nhiệt độ, nồng độ, áp suất và chất xúc tác ảnh hưởng tới sự dịch chuyển cân bằng hóa học ra sao? Cân bằng hóa học có ý nghĩa gì trong sản xuất hóa học? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học 

1. Phản ứng một chiều

- Phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo 1 chiều từ trái sang phải (dùng 1 mũi tên chỉ chiều phản ứng).

* Ví dụ:

2. Phản ứng thuận nghịch

- Phản ứng thuận nghịc là những phản ứng trong cùng điều kiện xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau (dùng mũi tên 2 chiều chỉ phản ứng).

* Ví dụ: 

3. Cân bằng hóa học

- Xét phản ứng thuận nghịch:

 H_2(k) + I_2(k)  2HI_(k)

- Sự biến đổi của tốc độ phản ứng thuận v_t và phản ứng nghịch v_n được xác định như đồ thị sau:
- Khi v_t = v_n thì phản ứng đạt trạng thái cân bằng và được gọi là cân bằng hóa học, như vậy:

- 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.

- Cân bằng hóa học là một cân bằng động.

- Ở trạng thái cân bằng, trong hệ luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các chất sản phẩm.

II. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học

- Định nghĩa: Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự dịch chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động từ các yếu tố bên ngoài lên cân bằng

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

1. Ảnh hưởng của nồng độ

- Thí nghiệm: C_(r) + CO_2(k)  CO_(k)

- Khi tăng CO₂ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều làm giảm CO₂).

- Khi giảm CO₂ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều làm tăng CO₂).

• Kết luận:

- Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó.

- Lưu ý: Chất rắn không làm ảnh hưởng đến cân bằng của hệ.

2. Ảnh hưởng của áp suất

- Thí nghiệm: N₂O_{4(khí, không màu)}  2NO_{2(khí, nâu đỏ)}

- Khi P tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, hay chiều nghịch.

- Khi P giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất, hay chiều thuận.

• Kết luận:

- Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.

- Lưu ý: Khi số mol khí ở 2 vế bằng nhau (hoặc phản ứng không có chất khí) thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt:

- Phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy thêm năng lượng để tạo sản phẩm. Kí hiệu ΔH>0.

- Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng mất bớt năng lượng. Kí hiệu ΔH<0.

• Thí nghiệm: N₂O_4(k)  2NO_2(k)  ΔH = +58kJ 

- Phản ứng thuận thu nhiệt vì ΔH =+58kJ > 0

- Phản ứng nghịch tỏa nhiệt vì ΔH = −58kJ < 0

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hóa học:

- Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt (giảm tác động tăng nhiệt độ).

- Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt (giảm tác động giảm nhiệt độ).

• Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê (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, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó

4. Vai trò của chất xúc tác

- Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học (không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học).

- Khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập hơn.

- Vai trò chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau.

IV. Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học

- Xem xét một số ví dụ sau để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học:

* Ví dụ 1: Sản suất axit sunfuric H₂SO₄

 2SO_2(k)+O_2(k)  2SO_3(k)  ΔH<0

- Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và tăng nhiệt độ. Nhưng đây là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ oxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

* Ví dụ 2: Sản xuất amoniac NH₃

 N_2(k)+3H_2(k)  2NH_3(k)    ΔH<0

- Ở nhiệt độ thường, tốc độ phản ứng xảy ra rất chậm; nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch; do đó, phản ứng này phải được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp, áp suất cao và dùng chất xúc tác.

V. Bài tập về Cân bằng hóa học

* Bài 1 trang 162 SGK Hóa 10: Ý nào sau đây là đúng:

A. Bất cứ phản ứng nào cũng phải đạt đến trạng thái cân bằng hóa học.

B. Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng thì phản ứng dừng lại.

C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học.

D. Ở trạng thái cân bằng, khối lượng các chất ở hai vế của phương trình phản ứng phải bằng nhau.

° Lời giải bài 1 trang 162 SGK Hóa 10:

• Chọn đáp án: C. Chỉ có những phản ứng thuận nghịch mới có trạng thái cân bằng hóa học.

* Bài 2 trang 162 SGK Hóa 10: Hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín:

 2SO_2(k) + O_2 (k)  2SO_3 (k) ΔH < 0

Yếu tố nào sau đây không làm nồng độ các chất trong hệ cân bằng biến đổi?

A. Biến đổi nhiệt độ.

B. Biến đổi áp suất.

C. Sự có mặt chất xúc tác.

D. Biến đổi dung tích của bình phản ứng.

° Lời giải bài 2 trang 162 SGK Hóa 10:

• Chọn đáp án: C. Sự có mặt chất xúc tác.

- Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. Do vậy, chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học hay không làm nồng độ các chất trong cân bằng biến đổi.

* Bài 3 trang 163 SGK Hóa 10: Cân bằng hóa học là gì? Tại sao nói cân bằng hóa học là cân bằng động?

° Lời giải bài 3 trang 163 SGK Hóa 10:

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

- Cân bằng hóa học là cân bằng động vì: Ở trạng thái cân bằng không phải là phản ứng dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng tốc độ bằng nhau (v_thuận = v_nghịch).

- Có nghĩa là trong một đơn vị thời gian số mol chất phản ứng giảm đi bao nhiêu theo phản ứng thuận lại được tạo ra bấy nhiêu theo phản ứng nghịch. Do đó cân bằng hóa học là cân bằng động.

* Bài 4 trang 163 SGK Hóa 10: Thế nào là sự chuyển dịch cân bằng? 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?

° Lời giải bài 4 trang 163 SGK Hóa 10:

- Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ để chuyển sang một trạng thái cân bằng mới do các yếu tố bên ngoài tác động lên cân bằng.

- Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nhiệt độ, nồng độ và áp suất.

- Chất xúc tác không có 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 nó có tác dụng làm cho phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng nhanh chóng hơn.

* Bài 5 trang 163 SGK Hóa 10: Phát biểu nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê và dựa vào cân bằng sau để minh họa:

 C_(r) + CO₂  2CO_(k)  ΔH>0

° Lời giải bài 5 trang 163 SGK Hóa 10:

• Nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê:

- Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động bên ngoài, như biến đổi nhiệt độ, nồng độ hay áp suất sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều giảm tác động bên ngoài đó.

• Minh họa bằng cân bằng sau:

 C_(r) + CO_2(k)   2CO_(k)    ∆H>0

- Nồng độ: Khi ta cho thêm vào một lượng khí CO₂ nồng độ trong hệ sẽ tăng lên làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (từ trái sang phải) tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ CO₂.

- Nhiệt độ: Khi ta tăng nhiệt độ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận tức là phản ứng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt.

- Áp suất: Khi ta tăng áp suất của hệ thấy cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (từ phải sang trái) tức là cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol phân tử khí (giảm áp suất).

* Bài 6 trang 163 SGK Hóa 10: Xét các hệ cân bằng sau trong một bình kín:

 C_(r) + H₂O_(k)  CO_(k) + H_2(k)  ΔH>0 (1)

 CO_(k) + H₂O_(k)  CO_2(k) + H_2(k)   ΔH<0 (2)

Các cân bằng trên chuyển dịch như thế nào khi biến đổi trong một các điều kiện sau?

a) Tăng nhiệt độ.

b) Thêm lượng hơi nước vào.

c) Thêm khí H₂ ra.

d) Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống.

e) Dùng chất xúc tác.

° Lời giải bài 6 trang 163 SGK Hóa 10:

- Cân bằng trong bình kín:

 C_(r) + H₂O_(k)  CO_(k) + H_2(k)  ΔH>0 (1)

 CO_(k) + H₂O_(k)  CO_2(k) + H_2(k)   ΔH<0 (2)

- Dựa vào nguyên lí chuyển dịch ta có bảng sau:

* Bài 7 trang 163 SGK Hóa 10: Clo phản ứng với nước theo phương trình hóa học sau:

Cl₂ + H₂O  HClO + HCl

Dưới tác dụng của ánh sáng, HClO bị phân hủy theo phản ứng:

2HClO  2HCl + O₂.

Giải thích tại sao nước clo (dung dịch clo trong nước) không bảo quản được lâu.

° Lời giải bài 7 trang 163 SGK Hóa 10:

- Nước Clo không bảo quản được lâu vì HClO không bền dưới ánh sáng nên bị phân hủy hoàn toàn tạo thành HCl và O₂. Khi đó phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận do nồng độ HClO giảm, Cl₂ tác dụng từ từ với H₂O cho tới hết, HClO cũng bị phân hủy dần đến hết.