Bài 1. Khái niệm về cân bằng hoá học

Xét phản ứng đốt cháy khí methane trong khí oxygen:
$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_4+2\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

Khi đốt cháy khí methane, thu được sản phẩm là khí carbon dioxide và hơi nước. Trong điều kiện này, các chất sản phẩm không phản ứng được với nhau để tạo thành chất đầu. Phản ứng như trên được gọi là phản ứng một chiều.

Phương trình hoá học của phản ứng một chiều được biểu diễn bằng một mũi tên chỉ chiều phản ứng.

Hai thí nghiệm sau đều được thực hiện ở cùng một điều kiện (bình kín dung tích 10 L, nhiệt độ ${445}^{\circ }\text{C}$:

Thí nghiệm 1: Cho 1 mol $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ và 1 mol $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ vào bình kín. Kết quả thí nghiệm cho thấy dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì trong bình vẫn chỉ tạo ra 1,6 mol HI; còn dư 0,2 mol $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ và 0,2 mol $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$.

Thí nghiệm 2: Cho 2 mol HI vào bình. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì trong bình vẫn chỉ tạo ra 0,2 mol $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ và 0,2 mol $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$; còn dư 1,6 mol HI.
Thực hiện yêu cầu sau:
a) Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2.
b) Trong cả hai thí nghiệm trên, dù thời gian phản ứng kéo dài bao lâu thì các chất đầu đều còn lại sau phản ứng. Giải thích.

Ở nhiệt độ ${445}^{\circ }\text{C}$ trong bình chứa hỗn hợp $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ và $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ xảy ra đồng thời hai phản ứng:
$\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})\stackrel{}{\to }2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})$ (1)
$2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})\stackrel{}{\to }\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})$ (2)
Ở thí nghiệm 1, khí $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ tác dụng với $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ tạo thành HI, đồng thời HI lại phân huỷ tạo thành $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ và $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ nên dù thời gian kéo dài bao lâu, phản ứng vẫn không thể xảy ra hoàn toàn.

Phương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau. Chiều từ trái sang phải là chiều phản ứng thuận, chiều từ phải sang trái là chiều phản ứng nghịch.
Trong thực tế, các phản ứng thuận nghịch xảy ra không hoàn toàn bởi vì trong cùng một điều kiện, các chất phản ứng tác dụng với nhau tạo thành các chất sản phẩm (phản ứng thuận), đồng thời các chất sản phẩm lại tác dụng với nhau tạo thành các chất ban đầu (phản ứng nghịch).

Xét phản ứng thuận nghịch: $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})\stackrel{}{\rightleftharpoons }2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})\cdot$
Số liệu về sự thay đổi số mol các chất trong bình phản ứng ở thí nghiệm 1 được trình bày trong Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1. Số mol các chất trong bình phản ứng của thí nghiệm 1 thay đổi theo thời gian
| Thời gian (giây) | $t_0$ | $t_1$ | $t_2$ | $t_3$ | $t_4$ | $t_5$ | ... | $t_{\mathrm{\infty }}$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Số mol $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ | 1,0 | 0,6 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| Số mol $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ | 1,0 | 0,6 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| Số mol HI | 0 | 0,8 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 |

Thực hiện các yêu cầu:
a) Vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi số mol các chất theo thời gian.
b) Từ đồ thị, nhận xét về sự thay đổi số mol của các chất theo thời gian.
c) Viết biểu thức định luật tác dụng khối lượng đối với phản ứng thuận và phản ứng nghịch, từ đó dự đoán sự thay đổi tốc độ của mỗi phản ứng theo thời gian (biết các phản ứng này đều là phản ứng đơn giản).
d) Bắt đầu từ thời điểm nào thì số mol các chất trong hệ phản ứng không thay đổi nữa?

Trong thí nghiệm trên, lúc đầu phản ứng thuận có tốc độ lớn hơn phản ứng nghịch và ưu tiên tạo ra hydrogen iodide. Theo thời gian, tốc độ phản ứng thuận giảm dần, tốc độ phản ứng nghịch tăng dần đến khi tốc độ hai phản ứng bằng nhau (Hình 1.1). Tại thời điểm này, số mol của các chất hydrogen, iodine, hydrogen iodide không thay đổi nữa. Đây là thời điểm phản ứng thuận nghịch đạt tới trạng thái cân bằng.

Xét phản ứng thuận nghịch: $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})\stackrel{}{\rightleftharpoons }2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})$
Thực hiện phản ứng trên trong bình kín, ở nhiệt độ ${445}^{\circ }\text{C}$ với các nồng độ ban đầu khác nhau. Số liệu về nồng độ các chất ở thời điểm ban đầu và ở trạng thái cân bằng trong các thí nghiệm được trình bày trong Bảng 1.2.

Bảng 1.2. Nồng độ các chất của phản ứng $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})\stackrel{}{\rightleftharpoons }2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})$ ở thời điểm ban đầu và ở trạng thái cân bằng
| | Nồng độ các chất ở thời điểm ban đầu (mol/L) | | Nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng (mol/L) |
|---|---|---|---|
| | $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ | $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ | HI | $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ | $\mathrm{I}{\phantom{X}}_2$ | HI |
| Thí nghiệm 1 | 0,1 | 0,1 | 0 | 0,02000 | 0,02000 | 0,16000 |
| Thí nghiệm 2 | 0,1 | 0,2 | 0 | 0,00532 | 0,10532 | 0,18936 |
| Thí nghiệm 3 | 0,1 | 0,3 | 0 | 0,20290 | 0,00290 | 0,19420 |
Tính giá trị $K_{\text{C}}=\frac{[\mathrm{H}\mathrm{I}{]}^2}{[\mathrm{H}{\phantom{X}}_2][\mathrm{I}{\phantom{X}}_2]}$ ở mỗi thí nghiệm, nhận xét kết quả thu được.
$K_{\text{C}}=\frac{[\mathrm{H}\mathrm{I}{]}^2}{[\mathrm{H}{\phantom{X}}_2][\mathrm{I}{\phantom{X}}_2]}$ được gọi là biểu thức hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch:
$\mathrm{H}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{I}{\phantom{X}}_2(\mathrm{g})\stackrel{}{\rightleftharpoons }2\mathrm{H}\mathrm{I}(\mathrm{g})$
(1) Dấu [i] biểu thị nồng độ của chất i ở trạng thái cân bằng.

Hằng số cân bằng $K_{\text{c}}$ phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và nhiệt độ.
Biểu thức xác định hằng số cân bằng $K_{\text{C}}=\frac{[\mathrm{C}{]}^c[\mathrm{D}{]}^d}{[\mathrm{A}{]}^a[\mathrm{B}{]}^b}$ cho thấy: $K_{\text{c}}$ càng lớn thì phản ứng thuận càng chiếm ưu thế hơn và ngược lại, $K_{\text{c}}$ càng nhỏ thì phản ứng nghịch càng chiếm ưu thế hơn.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của khí trong các ống nghiệm và hoàn thành vào vở theo mẫu bảng sau:
| Tác động | Hiện tượng | Chiều chuyển dịch cân bằng (thuận/nghịch) | Chiều chuyển dịch cân bằng (toả nhiệt/thu nhiệt) |
|---|---|---|---|
| Tăng nhiệt độ | ? | ? | ? |
| Giảm nhiệt độ | ? | ? | ? |

Quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các ống nghiệm (Hình 1.3) và hoàn thành vào vở theo mẫu bảng sau:
| Tác động | Hiện tượng | Chiều chuyển dịch cân bằng (thuận/nghịch) | Chiều chuyển dịch cân bằng (phản ứng toả nhiệt/thu nhiệt) |
|---|---|---|---|
| Tăng nhiệt độ | ? | ? | ? |
| Giảm nhiệt độ | ? | ? | ? |

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều phản ứng thu nhiệt $({\mathrm{\Delta }}_{\text{r}}{H}_{298}^{\circ }>0)$, nghĩa là chiều làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ và ngược lại.

Quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các ống nghiệm (Hình 1.4) và hoàn thành vào vở theo mẫu bảng sau:
| Tác động | Hiện tượng | Chiều chuyển dịch cân bằng (thuận/nghịch) | Chiều chuyển dịch cân bằng (tăng/giảm nồng độ) |
|---|---|---|---|
| Tăng nồng độ $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{N}\mathrm{a}$ | ? | ? | ? |
| Tăng nồng độ $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ | ? | ? | ? |

Khi tăng nồng độ một chất trong phản ứng thì cân bằng hoá học bị phá vỡ và chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ của chất đó và ngược lại.

Khi tăng áp suất chung của hệ, thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm áp suất, tức là chiều làm giảm số mol khí và ngược lại.
Đối với phản ứng thuận nghịch có tổng hệ số tỉ lượng của các chất khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau thì trạng thái cân bằng của hệ không bị chuyển dịch khi thay đổi áp suất chung của hệ.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier có ý nghĩa rất lớn khi được vận dụng vào kĩ thuật công nghiệp hoá học. Người ta có thể thay đổi các điều kiện để chuyển dịch cân bằng theo chiều mong muốn, làm tăng hiệu suất của phản ứng.

Theo phương trình hoá học của phản ứng trên, khi phản ứng xảy ra làm giảm số mol khí của hệ. Do đó, theo nguyên lí Le Chatelier, khi tăng áp suất thì cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận, tức là theo chiều tạo ra nhiều ammonia hơn. Thực tế, phản ứng tổng hợp ammonia thường được thực hiện ở áp suất khoảng 200 bar.

Phản ứng trên là phản ứng toả nhiệt. Do đó, để cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành ammonia, cần thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp, tốc độ của phản ứng này rất chậm. Vì vậy thực tế, ammonia được tổng hợp ở nhiệt độ khoảng ${450}^{\circ }\text{C}$.
Ngoài ra, để tăng tốc độ phản ứng, người ta sử dụng chất xúc tác là bột Fe.

a) Vận dụng nguyên lí Le Chatelier, hãy cho biết cần tác động yếu tố nhiệt độ như thế nào để các cân bằng (1), (2) chuyển dịch theo chiều thuận.
b) Trong thực tế, ở phản ứng (2), lượng hơi nước được lấy dư nhiều (4 – 5 lần) so với khí carbon monoxide. Giải thích.
c) Nếu tăng áp suất, cân bằng (1), (2) chuyển dịch theo chiều nào? Giải thích.