Cân bằng hóa học — Nguyên lý Le Chatelier & Kc, Kp

Cân bằng hóa học là trạng thái của một phản ứng thuận nghịch khi phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra với cùng tốc độ, nên thành phần tổng thể không còn thay đổi. Điều đó không có nghĩa là lượng chất ở hai vế bằng nhau. Với hầu hết các câu hỏi hóa học nhập môn, các công cụ cốt lõi là $Kc$, $Kp$ và nguyên lý Le Chatelier.

Nếu bạn cần xác định sản phẩm hay chất phản ứng được ưu tiên, hãy viết biểu thức cân bằng. Nếu bạn cần dự đoán chiều của một sự thay đổi, hãy dùng nguyên lý Le Chatelier hoặc so sánh $Q$ với $K$.

Cân Bằng Hóa Học Nghĩa Là Tốc Độ Bằng Nhau, Không Phải Lượng Bằng Nhau

Xét một phản ứng thuận nghịch:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Ở trạng thái cân bằng, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. Đó là lý do lượng của $A$, $B$, $C$ và $D$ không còn thay đổi theo thời gian.

Điều này không có nghĩa là các lượng đó bằng nhau. Một hệ có thể ở trạng thái cân bằng với phần lớn là chất phản ứng, phần lớn là sản phẩm, hoặc là một hỗn hợp tương đối đồng đều. Điều kiện là tốc độ bằng nhau, không phải chia 50-50.

Cách Viết Biểu Thức $Kc$

$Kc$ là hằng số cân bằng được viết theo nồng độ, thường dùng đơn vị $\mathrm{mol/L}$ trong hóa học nhập môn.

Với phản ứng tổng quát ở trên,

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

Chỉ những chất có nồng độ có thể thay đổi đáng kể trong hỗn hợp mới xuất hiện trong biểu thức. Trong cách xử lý chuẩn ở mức nhập môn, chất rắn tinh khiết và chất lỏng tinh khiết được lược bỏ vì hoạt độ của chúng được xem là không đổi.

Độ lớn của $Kc$ cho biết nhanh vị trí cân bằng nằm về phía nào:

• Nếu $Kc \gg 1$, sản phẩm được ưu tiên ở trạng thái cân bằng.
• Nếu $Kc \ll 1$, chất phản ứng được ưu tiên ở trạng thái cân bằng.
• Nếu $Kc$ gần $1$, không vế nào được ưu tiên mạnh.

Đó chỉ là xu hướng chung. Để giải một bài toán thực sự, bạn vẫn cần biểu thức đúng và số mũ đúng.

Khi Nào Dùng $Kp$ Thay Vì $Kc$

$Kp$ là hằng số cân bằng cho cân bằng pha khí, được viết theo áp suất riêng phần:

$$Kp = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}$$

Dùng $Kp$ khi phản ứng được mô tả theo áp suất riêng phần của các chất khí. Nếu phản ứng không chứa chất khí, $Kp$ thường không phải là lựa chọn tự nhiên.

Với cân bằng khí, $Kc$ và $Kp$ liên hệ với nhau bởi

$$Kp = Kc(RT)^{\Delta n_{\mathrm{gas}}}$$

trong đó $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ là

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{số mol sản phẩm khí} - \text{số mol chất phản ứng khí}$$

Mối liên hệ này áp dụng cho cân bằng pha khí ở dạng nhập môn thông thường. Nếu không có chất khí, $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ không phải là công cụ cần tập trung.

Ví Dụ Có Lời Giải: Tìm $Kc$ Cho $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$

Giả sử một hỗn hợp cân bằng ở một nhiệt độ có

$$[N_2O_4] = 0.40 \text{ M}, \qquad [NO_2] = 0.20 \text{ M}$$

Khi đó

$$Kc = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \frac{(0.20)^2}{0.40} = 0.10$$

Vậy cân bằng này ưu tiên chất phản ứng ở nhiệt độ đó vì $Kc < 1$. Bước quan trọng không phải là ghi nhớ con số. Mà là nhận ra hệ số $2$ trước $NO_2$ trở thành số mũ trong biểu thức cân bằng.

Với cùng phản ứng đó, $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$, nên

$$Kp = Kc(RT)$$

Điều đó cho bạn biết dạng theo nồng độ và dạng theo áp suất liên hệ với nhau như thế nào đối với phản ứng khí này.

Nguyên Lý Le Chatelier Dự Đoán Sự Chuyển Dịch Như Thế Nào

Nguyên lý Le Chatelier là một công cụ xác định chiều. Nếu một hệ đang ở trạng thái cân bằng bị tác động, vị trí cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại một phần tác động đó.

Nó trả lời câu hỏi “hệ sẽ chuyển theo chiều nào?”. Nó không cho biết chính xác lượng chất mới ở trạng thái cân bằng.

Thay Đổi Nồng Độ

Thêm một chất phản ứng thường làm cân bằng chuyển dịch về phía sản phẩm. Thêm một sản phẩm thường làm cân bằng chuyển dịch về phía chất phản ứng. Lấy bớt một chất thường làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo lại một phần lượng đã bị lấy đi.

Mẹo này chỉ áp dụng cho những chất có mặt trong biểu thức cân bằng. Chỉ riêng việc thay đổi lượng của một chất rắn tinh khiết không tạo ra quy tắc chuyển dịch theo nồng độ giống như vậy.

Thay Đổi Áp Suất Hoặc Thể Tích

Mẹo quen thuộc về áp suất có ý nghĩa với cân bằng khí. Nếu thể tích giảm, áp suất tăng, và cân bằng có xu hướng chuyển về phía có ít mol khí hơn. Nếu thể tích tăng, cân bằng có xu hướng chuyển về phía có nhiều mol khí hơn.

Nếu hai vế có cùng tổng số mol khí, mẹo này dự đoán không có sự chuyển dịch chỉ do thay đổi thể tích.

Thay Đổi Nhiệt Độ

Nhiệt độ khác với các yếu tố khác vì nó có thể làm thay đổi chính giá trị của hằng số cân bằng.

Hãy xem nhiệt như một phần của phản ứng. Với phản ứng thuận tỏa nhiệt, nhiệt đóng vai trò như một sản phẩm. Với phản ứng thuận thu nhiệt, nhiệt đóng vai trò như một chất phản ứng. Đó là lý do tăng nhiệt độ có thể ưu tiên những chiều ngược nhau trong các phản ứng khác nhau.

Chất Xúc Tác

Chất xúc tác giúp hệ đạt đến trạng thái cân bằng nhanh hơn, nhưng bản thân nó không làm thay đổi vị trí cân bằng.

Dùng $Q$ So Với $K$ Để Dự Đoán Chiều

Nếu bạn thay nồng độ hoặc áp suất hiện tại vào cùng biểu thức trước khi hệ đạt cân bằng, kết quả thu được gọi là thương số phản ứng, $Q$.

• Nếu $Q < K$, hệ có xu hướng chuyển dịch sang phải.
• Nếu $Q > K$, hệ có xu hướng chuyển dịch sang trái.
• Nếu $Q = K$, hệ đang ở trạng thái cân bằng.

Cách này thường đáng tin cậy hơn cảm giác mơ hồ kiểu “ưu tiên sản phẩm” hay “ưu tiên chất phản ứng” vì nó dùng đúng biểu thức thực tế.

Những Lỗi Thường Gặp Trong Bài Toán Cân Bằng Hóa Học

Nhầm Lẫn Giữa Tốc Độ Bằng Nhau Và Lượng Bằng Nhau

Ở trạng thái cân bằng, các tốc độ bằng nhau. Nồng độ không nhất thiết phải bằng nhau.

Quên Rằng Hệ Số Trở Thành Số Mũ

Trong $Kc$ hoặc $Kp$, các hệ số trở thành số mũ. Nếu phương trình cân bằng có $2NO_2$, biểu thức sẽ dùng $[NO_2]^2$ hoặc $(P_{NO_2})^2$.

Đưa Chất Rắn Tinh Khiết Hoặc Chất Lỏng Tinh Khiết Vào Biểu Thức

Trong các biểu thức cân bằng chuẩn ở mức nhập môn, chất rắn tinh khiết và chất lỏng tinh khiết được bỏ qua.

Dùng Nguyên Lý Le Chatelier Như Một Máy Tính

Nguyên lý Le Chatelier cho biết chiều chuyển dịch một cách đáng tin cậy. Nó không cho biết chính xác lượng cuối cùng.

Cho Rằng Mọi Thay Đổi Đều Làm Biến Đổi $K$

Ở nhiệt độ không đổi, thay đổi nồng độ, áp suất hoặc thể tích có thể làm vị trí cân bằng chuyển dịch, nhưng không làm thay đổi giá trị của $K$. Thay đổi nhiệt độ là ngoại lệ chính trong hóa học cơ bản.

Cân Bằng Hóa Học Được Dùng Ở Đâu

Cân bằng hóa học xuất hiện trong nhiều lĩnh vực của hóa học: phản ứng khí, hệ axit-bazơ, độ tan, sự tạo thành ion phức và thiết kế phản ứng công nghiệp. Nó quan trọng bất cứ khi nào một phản ứng có thể diễn ra theo cả hai chiều và thành phần cuối cùng phụ thuộc vào điều kiện.

Nó cũng kết nối những ý tưởng mà học sinh thường học tách rời. Động hóa học giải thích hệ thay đổi nhanh đến mức nào. Cân bằng giải thích trạng thái mà hệ ổn định tại một nhiệt độ nhất định.

Thử Một Bài Toán Cân Bằng Tương Tự

Hãy thử các bước tương tự với

$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

Trước tiên hãy viết biểu thức của $Kc$. Sau đó hỏi điều gì xảy ra nếu bạn thêm $HI$, hoặc nếu bạn nén bình chứa. Câu hỏi thứ hai là một cách kiểm tra hữu ích vì tổng số mol khí ở hai vế là như nhau, nên mẹo áp suất thông thường dự đoán không có sự chuyển dịch.