§38. CÂN BẰNG HÓA HỌC A. LÍ THUYẾT I. PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ÚNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC Phản ứng một chiều Là phản ứng thực tế chỉ xảy ra một chiều. Điển hình là phản ứng cháy, nổ, hòa tan kim loại trong axit. Vi dụ: 2KC1O.3 M"°2 ■> 2KC1 + 30,; CH4 + 20, —> CO, + 2H,0 Trong phương trình hóa học của phản ứng một chiều, người ta dùng một mũi tên chỉ chiều phản ứng. Phản ứng thuận nghịch Là phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau [trong cùng điều kiện]. Điển hình là phản ứng trong hóa hữu cơ. Ví dụ: CH3COOH + C,H3OH ■ CH3COOC2H5 + H,0 Hh Cl2 + H2O HC1 + HC1O Phản ứng nghịch CaCO.3 + CO, + H,0 Ca[HCO3]2 Trong phương trình hóa học của phản ứng thuận nghịch, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều nhau []. Cân bằng hóa học Xét phản ứng thuận nghịch sau: H,[k] + I2[k] 2HI [k] Ban đầu v[ > vn, trong quá trình phản ứng vt giảm dần, vn tàng dần, đến một lúc nào đó vt bằng v„. Trạng thái này cua phản ứng thuận nghịch được gọi là cân bàng /lóa học. ở trạng thái cân bằng, không phải là phản ứng dừng lại, mà là phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng với tốc độ bằng nhau [vt = vn]. Do đó, cân bằng lióa học là cân bằng dộng. Vậy, cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phan ứng nghịch. Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là các chát phản ứng không chuyển hóa hoàn toàn thành các sản phẩm, nên trong hệ cân bằng luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các sàn phẩm. lí. sự CHUYỂN DỊCH CÂN BANG HÓA HỌC Thí nghiệm Nạp đầy khí NCL [màu nâu đỏ] vào hai ôììg nghiệm, dậy kín và đặt một ôììg nghiệm vào chậu nước đá, ô'ng nghiệm còn lại để ngoài không khí. Sau một thời gian, khí trong ông nghiệm bị làm lạnh 'sẽ nhạt dần theo cân bằng: ' 2N[Ụ[k] N,o., [k] [màu náu đỏ] [không màu] Hiện tượng đó được gọi là sự chuyến dịch cân bằng hóa học. Định nghĩa Sự chuyển dịch cân bàng hóa học là sụ' chuyến clịch tử trạng thúi cũn bằng này sang trạng thái, cán being khác du tác động cùa các yếu tô' từ bên ngoài lên cân bàng. III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN cân bang hóa học Anh hưởng của nồng dộ Khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cán bằng, thì cân being bao giờ cũng chuyên dịch theo chiều làm giam tác dụng diu việc tăng hoặc giảm nồng độ cùa chái đó. Chú ý: Nếu trong cân bằng có chất rán [ớ dạng nguyên chất] tham gia, thì việc thêm hoặc bớt lượng chất, rắn không ánh hướng đến cân bằng, nghĩa là cân bằng không chuyến dịch. Anh hưởng của áp suất • Khi tăng hoặc giảm áp suàt chung cua hệ cũn bằng, thì cán bàng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giám túc dụng của việc tăng hoặc giam áp suất dó. Chứ ý: Nếu phán ứng có sô' mol khí ở hai vế cùa phương trình hóa học bằng nhau hocặc phán ứng không có chát, khí, thì áp suất không ánh hướng đến cân bằng. Anh hưởng của nhiệt dộ Khi tăng nhiệt độ, cân bàng chuyên dịch theo chiểu phan ứng thu nhiệt, nghĩa là chiều làm giảm tác dụng cùa việc tăng nhiệt độ và khi giảm nhiệt độ, cân bằng chiều dịch theo chiếu phán ứng tỏa nhiệt, chiều làm giam tác dụng của việc giâm nhiệt độ. Kết luận: Ba yếu tố nồng độ, áp suất và nhiệt độ ánh hướng đến cân bàng hóa học đà được Lơ Sa-tơ-li-ê [H.L.Le Chatelier, 1850 - 1936, nhà hóa học Pháp] tổng kết thành nguyên lí được gọi là nguyên lí chuyển dịch căn bằng Lơ Sa-tơ-li-ê như sau: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thủi cân bằng khi chịu một tác dộng từ bên ngoài như biến dổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ, thì căn bàng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giám tác động bên ngoài dó. Vai trò của chất xúc tác Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phán ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên chất xúc tác không ánh hưởng đến cân bằng hóa học. Ý NGHĨA CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ CÂN BANG HÓA HỌC TRONG SẢN XUẤT HÓA HỌC Xét các vị trí sau: Ví dụ 1: Trong quá trình sán xuât khí axit sunfuric phải thực hiện phán ứng như sau: 2SO2[k] + 02[k] 2SO;l[k] AH < 0 Trong phán ứng này người ta dùng oxi không khí. Đế tăng tốc độ phán ứng, phái dùng chất xúc tác [V2O.-,] và thực hiện phản ứng ỏ' nhiệt độ cao [450"C]. Vi dụ 2: Quá trình tổng hợp NH.-itừ N-2 và IỤ. N2[k, + 3H2[k] 2NH;ỉ[k] AH < 0. Đặc điểm cua phán ứng này là xáy ra chậm ớ nhiệt độ thường, tóa nhiệt và sô mol khí của san phẩm ít hơn số mol khí chất phán ứng, nên phái thực hiện phan ứng mày ở nhiệt độ cao, áp suất cao và chát xúc tác. Tuy nhiên phải ó' nhiệt độ xác định chứ không quá cao. B. BÀI TẬP y nào sau dày là dùng: Bất cứ phan ứng nào cùng phái đạt [len trạng thãi cùn being hóa học. Khi phân ứng thuận nghịch ớ trạng thái cân bang thì phún ứng dừng lại. c. Chi có những phán ứng thuận nghịch mới co trạng thài càn bang hóa học. D. ơ trạng thái cân bằng, khối htựng các clìât ờ hai vế của phương trình hóa học phai bằng nhau. Câu C đúng Hệ càn bằng sau được thực hiện trong binh lìin: 2SO-Jk] + 0,11 2SO,tlíl, \H 0 Giải Nội dung nguyên lí Lơ Sa-tơ-li-ê: “Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng lihi chịu một túc động bên ngoài, như biến đổi. nồng độ, áp suất, nhiệt dộ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giám tác dộng bên ngoài đó”. Minh họa: C[r] + co2[ỉi] 2CO[7íl AH > 0 Khi thêm vào hệ một lượng khí co2: cân bằng chuyến dịch theo chiều thuận. Khi tăng nhiệt độ: cân bằng chuyến dịch theọ chiều thuận. Khi giảm áp suâ’t chung của hệ: cân bằng chuyến dịch theo chiều thuận. Xét các hệ càn bầng sau trong một bình kin: Ctrl + LTO[h] ^2 COtk] + Hgk] ,\ỈI > 0 [1] coi/i] + HỉO[k] CO-Jtk] + Hgk] \H < 0 12] Các căn bàng trên chuyến dịch như thể nào khi biển dối một trong các diều kiện sau: Tăng nhiệt độ. Thêm lượng hoi nước vào. Thêm khi H>. Tăng áp suãt chung bằng cách nón cho thê tích cùa hệ gidm xuống, ẹ] Dùng chất xúc tác. AH > 0 Giải [1] Xét cân bằng: C[r] + H2O[7ỉJ CO[k] + H2[7e> Tăng nhiệt độ: cân bằng chuyến dịch theo chiều thuận. Thêm lượng hơi nước vào: cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Thêm khí H2 vào: cân bằng chuyến dịch theo chiều nghịch. Tăng áp suất chung bằng cách nén cho thể tích của hệ giảm xuống: cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Dùng chất xúc tác: không làm chuyến dịch cân bằng. Xét cân bằng: COCk] + H2O6U ccw + H/W AH < 0 [2] Làm tương tự như trên. Clo phán ứng vái nước theo phương trình hóa học sau: CI-, + H-,0 HCIO + HCI Dưới tác dụng cua ánh sáng, HCIO bị phân hủy theo phản ứng: 2HC10 -> 2HCI + O-, ĩ Giải thích tại sao nước clo [dung dịch clo trong nước] /thông bao quán dược lâu. Giải Nước clo [dung dịch clo trong nước] không bảo quản được lâu vì: cân bằng hóa học theo chiều thuận, Cl2 tác dụng từ từ với H2O đến hết. 0 [rì + O-Ị[k], .\H > 0 Có thế dùng những biện pháp gỉ dế tăng hiệu suất chuyến hóa CuO thành Cu-ịO? Giải Đun nóng hoặc hút khí 02 ra.
Khi học môn Hóa, các em sẽ được nghe nhiều đến khái niệm cân bằng hóa học. Đây cũng là nội dung quan trọng mà các em cần nắm vững để giải quyết các bài toán trong chương trình Hóa học lớp 10 nói riêng, Hóa THCS và THPT nói chung. Vậy, cân bằng hóa học là gì? Trong bài viết này, Marathon Education sẽ cung cấp cho các em đầy đủ những kiến thức về lý thuyết này.
Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch
Khi học về cân bằng hóa học, các em sẽ được biết đến 2 loại phản ứng. Đó chính là phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch.
Đúng như tên gọi, phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo đúng một chiều từ trái sang phải. Điều này có nghĩa là sau phản ứng, chất phản ứng sẽ biến đổi thành chất sản phẩm và không xảy ra phản ứng theo chiều ngược lại. Khi viết phương trình hóa học, các em cần sử dụng mũi tên để chỉ chiều phản ứng.
2KClO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2KCl+3O_2
Ngược lại, phản ứng xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau trong cùng một điều kiện được gọi là phản ứng thuận nghịch. Cụ thể, chất phản ứng biến đổi thành chất sản phẩm và ngược lại, chất sản phẩm cũng sẽ phản ứng với nhau tạo thành chất tham gia phản ứng. Vì thế, khi viết phương trình hoá học, các em nên sử dụng hai mũi tên ngược chiều nhau.
Cân bằng hóa học là gì?
Cân bằng hóa học là một trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau.
Như vậy, cân bằng hóa học được xác định là cân bằng động. Ở trạng thái cân bằng luôn có sự xuất hiện của chất phản ứng và chất sản phẩm.
>>> Xem thêm:
Hằng số cân bằng hóa học
Cân bằng trong hệ đồng thể
Hệ đồng thể là hệ gồm các chất có tính chất vật lý và tính chất hóa học như nhau ở tất cả các vị trí trong hệ. Ví dụ, hệ gồm các chất tan trong dung dịch, hệ gồm các chất khí.
Chẳng hạn, một phản ứng thuận nghịch được xảy ra như sau:
aA + bB ⇌ cC + dD
Trong đó, A, B, C, D là những chất tan trong dung dịch hoặc chất khí có phản ứng ở trạng thái cân bằng. Ta có:
K = \frac{[C]^c.[D]^d}{[A]^a.[B]^b}
[A], [B], [C], [D] là theo thứ tự là nồng độ mol/l của các chất A, B, C, D và a, b, c, d là hệ số của các chất trong phương trình phản ứng.
Ancol Isoamylic Là Gì? Công Thức Ancol Isoamylic Và Bài Tập Vận Dụng
Hằng số cân bằng K của phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng.
Nếu cân bằng hóa học được thiết lập giữa các chất khí thì các em có thể thay nồng độ các chất trong biểu thức tính K bằng áp suất riêng phần của hỗn hợp.
Cân bằng trong hệ dị thể
Khác với hệ đồng thể, hệ dị thể là hệ gồm các chất có tính chất vật lý và hóa học không giống nhau ở mọi vị trí ở trong hệ. Ví dụ, hệ bao gồm các chất tan trong nước và chất rắn, hệ bao gồm chất khí và chất rắn.
Các em hãy xét hệ cân bằng hóa học sau:
C_{[r] }+ CO_{2\ [k] } ⇌ 2CO_{ [k]}\\ K = \frac{[CO]^2}{[CO_2]}
Nồng độ các chất rắn được coi là hằng số.
Sự chuyển dịch cân bằng hóa học
Sự dịch chuyển cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ và chuyển sang trạng thái cân bằng mới. Nguyên nhân chính là do các yếu tố bên ngoài tác động đến cân bằng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học
Yếu tố nồng độ
Các em hãy xét cân bằng hóa học sau:
C_{[r]} + CO_{2\ [k]} ⇌ 2CO_{[k]}
Khi CO2 tăng thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận [làm giảm CO2]. Ngược lại, khi giảm CO2 thì cân bằng này sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch, tức là chiều làm tăng CO2.
Vì thế, khi tăng hay giảm nồng độ một chất trong cân bằng hóa học thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của chất đó theo hướng tăng hoặc giảm nồng độ. Các em cũng nên lưu ý, chất rắn là chất không làm ảnh hưởng đến cân bằng của hệ.
Yếu tố áp suất
Các em hãy xét cân bằng hóa học sau:
N_2O_{4\ [k]} ⇌ 2NO_{2\ [k]}
Khi áp suất tăng thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất. Khi áp suất giảm thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm tăng áp suất.
Như vậy, khi tăng hay giảm áp suất chung của hệ cân bằng thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.
Các em cần lưu ý rằng, nếu số mol khí ở 2 vế bằng nhau [hoặc không có chất khí tham gia phản ứng] thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.
H_{2\ [k]} + I_{2 [k]} ⇌ 2HI_{ [k]}
Yếu tố nhiệt độ
Yếu tố nhiệt độ liên quan đến phản ứng thu nhiệt và phản ứng tỏa nhiệt. Cụ thể, phản ứng thu nhiệt là phản ứng lấy thêm năng lượng để tạo ra sản phẩm, được kí hiệu là ΔH>0. Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng giảm bớt năng lượng, được kí hiệu là ΔH 0
Phản ứng nghịch tỏa nhiệt vì ΔH= −58kJ < 0
Tóm lại, nhiệt độ có ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Khi nhiệt độ tăng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt [để giảm tác động tăng nhiệt độ]. Khi nhiệt độ giảm, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng tỏa nhiệt [để giảm tác động giảm nhiệt độ].
Kim Loại Và Tính Chất Hóa Học Của Kim Loại - Lý Thuyết Và Bài Tập
Theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê thì một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng nếu chịu một tác động từ bên ngoài như sự biến đổi nồng độ, áp suất hay nhiệt độ thì cân bằng hóa học sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.
Yếu tố chất xúc tác
Chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Sự xuất hiện của chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau. Khi phản ứng chưa cân bằng thì chất xúc tác sẽ làm cho cân bằng được thiết lập nhanh hơn.
Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học
Trong sản xuất hóa học, các nhà hóa học có thể dựa vào các yếu tố làm ảnh hưởng đến phản ứng và cân bằng hóa học để chọn ra những chất sản xuất họa hóc hiệu quả, tăng tốc độ phản ứng hóa học hay quyết định chất tạo thành dựa trên phản ứng thuận nghịch của phương trình hóa học.
Cụ thể, ta xét ví dụ sản xuất Axit Sunfuric:
2SO2 [k] + O2 [k] ⇌ 2SO3 ∆H = -198kJ < 0.
Trong phản ứng trên, phản ứng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch nếu tăng nhiệt độ [giảm hiệu suất phản ứng]. Do đó, để tăng hiệu suất phản ứng [phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận], các nhà hóa học tăng nồng độ Oxi cho phản ứng.
>>> Xem thêm: Tổng Hợp Các Công Thức Hóa Học Từ Lớp 8 Đến Lớp 12 Cần Nhớ
Bài tập cân bằng hóa học
Bài tập 1: Cho hệ cân bằng sau được thực hiện trong bình kín:
2SO2 [k] + O2 [k] ⇌ 2SO3 ∆H < 0
Yếu tố nào dưới đây không làm nồng độ các chất trong hệ cân bằng biến đổi?
a. Nhiệt độ
b. Áp suất
c. Chất xúc tác
d. Dung tích của bình
Lời giải: c là đáp án chính xác. Trong phản ứng thuận nghịch, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng cả 2 chiều với tỷ lệ bằng nhau. Vì vậy, nồng độ các chất trong hệ cân bằng không bị biến đổi do chất xúc tác.
Bài tập 2: Cho Clo phản ứng với H2O theo phương trình phản ứng sau:
Cl2 + H2O ⇌ HClO + HCl
HClO bị phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng theo phương trình phản ứng:
2HClO ⇌ 2HCl + O2
Vì sao nước Clo không bảo quản được lâu?
Lời giải: Dưới tác dụng của ánh sáng, HClO không bền 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. Sau đó, HCl và O2 lại tiếp tục tác dụng với nhau tạo thành HClO. Theo thời gian, HClO bị phân hủy dần dần cho đến hết. Do đó, nước Clo không bảo quản được lâu.
Bài tập 3: Cho phương trình phản ứng:
4CuO [r] ⇌ 2Cu2O [r] + O2 [k] ∆H > 0
Để tăng hiệu suất chuyển hóa CuO thành Cu2O có những phương pháp nào?
Lời giải: Ta có thể thực hiện 2 phương pháp sau
- Tăng nhiệt độ phản ứng để phản ứng chuyển dịch theo chiều thuận [do ∆H > 0]
- Giảm áp suất phản ứng bằng cách rút bớt khí Oxi
Hạt Nhân Nguyên Tử Là Gì? Cấu Tạo Của Hạt Nhân Nguyên Tử
Học livestream trực tuyến Toán – Lý – Hóa – Văn bứt phá điểm số 2022 – 2023 tại Marathon Education
Marathon Education là nền tảng học livestream trực tuyến Toán – Lý – Hóa – Văn uy tín và chất lượng hàng đầu Việt Nam dành cho học sinh từ lớp 8 đến lớp 12. Với nội dung chương trình giảng dạy bám sát chương trình của Bộ Giáo dục và Đào tạo, Marathon Education sẽ giúp các em lấy lại căn bản, bứt phá điểm số và nâng cao thành tích học tập.
Tại Marathon, các em sẽ được giảng dạy bởi các thầy cô thuộc TOP 1% giáo viên dạy giỏi toàn quốc. Các thầy cô đều có học vị từ Thạc Sĩ trở lên với hơn 10 năm kinh nghiệm giảng dạy và có nhiều thành tích xuất sắc trong giáo dục. Bằng phương pháp dạy sáng tạo, gần gũi, các thầy cô sẽ giúp các em tiếp thu kiến thức một cách nhanh chóng và dễ dàng.
Marathon Education còn có đội ngũ cố vấn học tập chuyên môn luôn theo sát quá trình học tập của các em, hỗ trợ các em giải đáp mọi thắc mắc trong quá trình học tập và cá nhân hóa lộ trình học tập của mình.
Với ứng dụng tích hợp thông tin dữ liệu cùng nền tảng công nghệ, mỗi lớp học của Marathon Education luôn đảm bảo đường truyền ổn định chống giật/lag tối đa với chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt nhất.
Nhờ nền tảng học livestream trực tuyến mô phỏng lớp học offline, các em có thể tương tác trực tiếp với giáo viên dễ dàng như khi học tại trường.
Khi trở thành học viên tại Marathon Education, các em còn nhận được các sổ tay Toán – Lý – Hóa “siêu xịn” tổng hợp toàn bộ công thức và nội dung môn học được biên soạn chi tiết, kỹ lưỡng và chỉn chu giúp các em học tập và ghi nhớ kiến thức dễ dàng hơn.
Marathon Education cam kết đầu ra 7+ hoặc ít nhất tăng 3 điểm cho học viên. Nếu không đạt điểm số như cam kết, Marathon sẽ hoàn trả các em 100% học phí. Các em hãy nhanh tay đăng ký học livestream trực tuyến Toán – Lý – Hóa – Văn lớp 8 – lớp 12 năm học 2022 – 2023 tại Marathon Education ngay hôm nay để được hưởng mức học phí siêu ưu đãi lên đến 39% giảm từ 699K chỉ còn 399K.
Các khóa học online tại Marathon Education
Từ những thông tin mà các Marathon Education đã chia sẻ ở trên, chắc hẳn các em đã có đủ tự tin để trả lời câu hỏi cân bằng hóa học là gì cũng như nắm vững các yếu tố liên quan đến chuyển dịch cân bằng hóa học. Các em hãy cố gắng học thuộc, ghi nhớ toàn bộ lý thuyết liên quan đến cân bằng hóa học vì đây là kiến thức quan trọng sẽ hỗ trợ các em rất nhiều trong quá trình giải bài tập. Chúc các em học tập tốt!