Cân bằng hóa học: Q so với K quyết định mọi chiều dịch chuyển
Chuyên đề Hóa học: một phép so sánh Q với K trả lời mọi tác động lên cân bằng (thêm chất, nén, nhiệt độ, xúc tác, khí trơ). Ba phòng lab: pít-tông hạt, cái…
LUKATO AI · CHUYÊN ĐỀ HÓA HỌC 11 – 12
CÂN BẰNG HÓA HỌC · Q SO VỚI K
Cân bằng hóa học:
Q so với K
quyết định mọi chiều dịch chuyển
Thêm chất, nén, đun nóng, thêm xúc tác, thêm khí trơ: mỗi tác động đều trả lời được bằng một phép so sánh duy nhất . Tính thương số phản ứng Q ngay sau tác động, đặt cạnh hằng số cân bằng K ở nhiệt độ lúc đó. Q nhỏ hơn K thì thuận, Q lớn hơn K thì nghịch, Q bằng K thì đứng yên. Nguyên lí Le Chatelier chỉ là hệ quả của phép so sánh này, và em sẽ thấy nó gãy ở đâu .
- 1. Một quy tắc: Q so với K
- 2. Chỉ nhiệt độ làm đổi K
- 3. K c , K p và bảng ICE không còn bí ẩn
Q – K
một thang đo cho mọi tác động
3 phòng lab
pít-tông hạt, cái cân Q – K, bảng ICE
7 bí kíp
mỗi bí kíp có lí do và điểm gãy
01
Khung tư duy · Từ phương trình đến chiều dịch chuyển
Một phép so sánh duy nhất: Q so với K
Phản ứng thuận nghịch xảy ra theo cả hai chiều trong cùng một điều kiện. Khi hệ đạt cân bằng , các phân tử vẫn phản ứng không ngừng, nhưng tốc độ chiều thuận bằng tốc độ chiều nghịch nên nồng độ mọi chất không đổi theo thời gian. Câu hỏi của cả chuyên đề: khi ta tác động vào hệ, nó dịch chuyển theo chiều nào, và vì sao?
Định nghĩa
Cân bằng động
Cân bằng hóa học là cân bằng động : tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, còn phản ứng chưa hề dừng. Hai ý hay bị hiểu sai: cân bằng không có nghĩa nồng độ các chất bằng nhau (chúng chỉ không đổi), và không có nghĩa phản ứng đã ngừng.
Định nghĩa
Hằng số cân bằng K và thương số Q
Với phản ứng a A + b B c C + d D (các chất khí hoặc chất tan), K c = [C] c [D] d [A] a [B] b , nồng độ lấy ở trạng thái cân bằng. Biểu thức Q viết y hệt nhưng dùng nồng độ ở thời điểm bất kì . Chất rắn, chất lỏng nguyên chất và dung môi không có mặt trong biểu thức. Với chất khí còn có K p viết bằng áp suất riêng phần (atm).
Khung tư duy: năm bước từ phương trình đến chiều dịch chuyển
1 · VIẾT ĐÚNG BIỂU THỨC Hệ số thành số mũ; bỏ chất rắn, chất lỏng nguyên chất, dung môi.
2 · TÍNH Q NGAY SAU TÁC ĐỘNG Cùng biểu thức như K nhưng thay nồng độ lúc vừa tác động, khi hệ chưa kịp phản ứng.
3 · LẤY K Ở NHIỆT ĐỘ LÚC ĐÓ K chỉ phụ thuộc nhiệt độ (và cách viết phương trình). Chỉ đổi nhiệt độ mới đổi K.
4 · SO SÁNH Q nhỏ hơn K: thuận. Q lớn hơn K: nghịch. Q bằng K: đứng yên.
5 · KIỂM TRA LẠI Chất nào tăng, chất nào giảm; K có đổi không; hệ mới phải có Q = K.
Một bức ảnh chụp nhanh
Q cho biết hỗn hợp lúc này đang ở đâu so với cân bằng: nhiều sản phẩm hay nhiều chất đầu hơn mức cân bằng. Mọi tác động làm đổi nồng độ đều làm Q đổi ngay.
Một tính chất của phản ứng
K là con số cân bằng của một phương trình ở một nhiệt độ : K càng lớn thì cân bằng càng nghiêng về sản phẩm. K không nói gì về tốc độ, và không đổi khi ta chỉ thêm bớt chất hay nén giãn.
Hai vị trí
Tác động đổi Q, đổi K, hay không đổi gì
Thêm bớt chất, đổi thể tích: đổi Q . Đổi nhiệt độ: đổi K . Xúc tác và khí trơ ở thể tích cố định: không đổi cả hai . Chỉ cần xếp được tác động vào đúng nhóm là em đọc ra chiều dịch chuyển.
Bảng đối chiếu: mỗi tác động làm đổi gì?
Tác động
Kết quả
Thêm chất tham gia
giảm
không đổi
Q nhỏ hơn K: thuận
Thêm sản phẩm
tăng
không đổi
Q lớn hơn K: nghịch
Nén (thể tích giảm r lần)
nhân với r n
không đổi
n âm: thuận; n dương: nghịch; n = 0: không dịch chuyển
Đổi nhiệt độ
chưa đổi
đổi theo dấu của H
H dương: tăng nhiệt độ thì K tăng, thuận; H âm: tăng nhiệt độ thì K giảm, nghịch
Thêm xúc tác
không đổi
không dịch chuyển; chỉ đạt cân bằng nhanh hơn
Thêm khí trơ, thể tích cố định
không đổi
không dịch chuyển (áp suất toàn phần tăng nhưng nồng độ không đổi)
Thêm khí trơ, áp suất cố định
như khi giãn
không đổi
như giãn: n dương thì thuận, n âm thì nghịch
Vuốt ngang để xem toàn bộ bảng.
Quy ước: n là hiệu giữa tổng hệ số các chất khí ở vế sản phẩm và tổng hệ số các chất khí ở vế chất đầu; H là biến thiên enthalpy của phản ứng thuận.
Bí kíp 1 Q so với K
Quy tắc. Sau mọi tác động, tính Q rồi so với K ở nhiệt độ lúc đó: Q nhỏ hơn K thì phản ứng thuận chiếm ưu thế, Q lớn hơn K thì phản ứng nghịch chiếm ưu thế, Q bằng K thì hệ đứng yên.
Vì sao đúng. Ở cân bằng Q đúng bằng K. Nếu Q nhỏ hơn K thì tỉ lệ sản phẩm trên chất đầu thấp hơn mức cân bằng, nên hệ phải tạo thêm sản phẩm để quay về K. Dạng nhiệt động học của cùng ý đó là G = RT ln(Q/K): Q nhỏ hơn K cho G âm, phản ứng thuận tự diễn ra.
Khi nào gãy. Quy tắc chỉ cho chiều , không cho tốc độ : Q rất khác K vẫn có thể diễn ra rất chậm. Nó cũng phải dùng đúng biểu thức K (đúng phương trình, loại đúng chất rắn và dung môi) và đúng nhiệt độ.
02
Phòng thí nghiệm hạt · Pít-tông N 2 O 4 – NO 2
Nhìn thẳng vào các phân tử: nén, đun nóng, thêm chất, rồi xem Q chạy về K
Hệ cân bằng N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g): N 2 O 4 không màu, NO 2 màu nâu, nên độ đậm của màu nâu báo trực tiếp nồng độ NO 2 . Phản ứng thuận thu nhiệt ( H = +57,2 kJ/mol) và có n = +1. Hãy kéo thanh trượt, bấm nút, rồi nhìn ba thứ cùng lúc: màu, mũi tên dịch chuyển và đường Q/K chạy về 1.
Phòng lab 1: pít-tông hạt N 2 O 4 – NO 2 TƯƠNG TÁC
Bên trái: bình có pít-tông, nguồn nhiệt và các hạt chuyển động nhiệt; hạt N 2 O 4 tách thành hai hạt NO 2 (vòng vàng) và hai hạt NO 2 ghép lại (vòng xanh lơ). Bên phải: thang Q/K, lượng chất và đường Q/K theo thời gian. Mô hình: khí lí tưởng, K tính từ phương trình van 't Hoff với H không đổi.
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
Nhiệt độ T: - Thể tích V: -
K p (atm)
K c (mol/L)
Áp suất toàn phần (atm)
Phần mol N 2 O 4
Phần mol NO 2
Độ phân li của N 2 O 4
Q / K
Chiều dịch chuyển
Mô hình: N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g), H = +57,2 kJ/mol và K p = 0,0172 atm ở 273 K là các giá trị gần với thực nghiệm; K ở nhiệt độ khác tính bằng ln(K 2 /K 1 ) = ( H /R)(1/T 1 - 1/T 2 ) với R = 8,314 J/(mol·K); K c = K p /(RT) với R = 0,082057 L·atm/(mol·K). Đây là giá trị mô hình, không phải số đo thực. Số liệu trên thanh readout là số liệu lúc đang hiển thị: kết thúc chuyển động thì bằng đúng giá trị cân bằng.
Bí kíp 2 Nén đổi Q, không đổi K
Quy tắc. Thể tích giảm r lần thì mọi nồng độ tăng r lần và Q nhân với r n . Với n dương Q tăng, hệ dịch về phía nghịch (ít mol khí hơn); với n âm Q giảm, hệ dịch thuận; với n = 0 Q không đổi nên không dịch chuyển . K không đổi.
Vì sao đúng. Mỗi nồng độ nhân với r. Trong Q, các chất sản phẩm đóng góp số mũ dương, các chất đầu đóng góp số mũ âm, tổng số mũ khí chính là n , nên Q nhân với r n .
Khi nào gãy. Chỉ dùng được khi có chất khí (nồng độ chất rắn và chất lỏng không đổi theo thể tích) và khi nén ở nhiệt độ không đổi. Nén không làm màu nhạt đi: màu luôn đậm lên ngay, rồi chỉ bớt đi một phần.
Vì sao nén xong màu vẫn đậm hơn lúc đầu?
Ở 298 K với 0,100 mol N 2 O 4 trong bình 2,00 L, nồng độ NO 2 là 0,0156 mol/L. Nén còn 1,00 L làm Q gấp đôi K, hệ dịch về phía nghịch, nhưng K cố định nên cân bằng mới vẫn phải có [NO 2 ] = 0,0226 mol/L, tức đậm hơn 1,45 lần chứ không phải 2 lần, và vẫn đậm hơn lúc đầu. Sự dịch chuyển chỉ giảm bớt tác động, không xóa nó.
03
Thang Q – K · Chín tác động, một cách đọc
Cái cân Q – K: ba phản ứng, chín tác động, một quy tắc
Ba hệ để so sánh: N 2 + 3H 2 2NH 3 ( n = -2, tỏa nhiệt), H 2 + I 2 2HI ( n = 0, tỏa nhiệt rất ít) và N 2 O 4 2NO 2 ( n = +1, thu nhiệt). Mỗi lần em bấm một tác động, trang tính Q ngay sau tác động và K ở nhiệt độ lúc đó , nghiêng cái cân, rồi giải ra cân bằng mới. Hãy đoán trước chiều nghiêng rồi mới bấm.
1 · TÁC ĐỘNG ĐỔI NỒNG ĐỘ Thêm chất, nén, giãn, khí trơ ở áp suất cố định: Q đổi, K không đổi.
2 · TÁC ĐỘNG ĐỔI NHIỆT ĐỘ Q chưa kịp đổi, K đổi theo dấu của H : đây là tác động duy nhất làm đổi K.
3 · TÁC ĐỘNG KHÔNG ĐỔI GÌ Xúc tác, khí trơ ở thể tích cố định: Q = K vẫn đúng nên không dịch chuyển.
ln K 2 K 1 = H R ( 1 T 1 - 1 T 2 )
Thu nhiệt
H dương: nhiệt độ tăng thì K tăng
Nếu T 2 lớn hơn T 1 thì 1/ T 1 - 1/ T 2 dương nên ln(K 2 /K 1 ) cùng dấu với H . Với N 2 O 4 2NO 2 , mô hình cho K tăng khoảng 860 lần khi đi từ 273 K lên 373 K.
Tỏa nhiệt
H âm: nhiệt độ tăng thì K giảm
Với N 2 + 3H 2 2NH 3 ( H khoảng -92 kJ/mol), mô hình cho K giảm khoảng 7,2 lần khi đi từ 700 K lên 800 K và tăng khoảng 13,9 lần khi đi từ 700 K xuống 600 K. Nhiệt độ cao làm tụt K của phản ứng tỏa nhiệt.
Phòng lab 2: cái cân Q – K TƯƠNG TÁC
Chọn hệ, bấm một tác động. Cái cân cho Q (đĩa trái, đỏ) và K (đĩa phải, xanh lơ): đĩa nào nặng hơn thì nghiêng xuống. Ba cụm cột bên phải là lượng chất ở cân bằng cũ, ngay sau tác động (nền sọc) và ở cân bằng mới. Các tác động cộng dồn; bấm “Cân bằng ban đầu” để làm lại.
Hệ: Đang xét:
Vuốt ngang để xem toàn bộ sơ đồ.
n (khí)
H phản ứng thuận
K c (mol/L)
Q ngay sau tác động
Q / K
Chiều dịch chuyển
Áp suất toàn phần (atm)
Lượng sản phẩm cuối
Mô hình: khí lí tưởng trong bình kín; Q và K tính theo nồng độ (mol/L), K c = K p /(RT) n với R = 0,082057 L·atm/(mol·K). K(T) theo van 't Hoff với H không đổi, mốc: N 2 O 4 ở 273 K, N 2 /H 2 /NH 3 và H 2 /I 2 /HI ở 700 K. Đây là giá trị mô hình, gần với thực nghiệm trong vùng nhiệt độ gần mốc; ở xa mốc thì H thực tế đổi theo T nên sai lệch tăng. Khí trơ vẽ cộng thêm 1,00 mol.
Bí kíp 3 Chỉ nhiệt độ mới đổi K
Quy tắc. Phản ứng thuận thu nhiệt ( H dương): tăng nhiệt độ thì K tăng, cân bằng dịch thuận; giảm nhiệt độ thì ngược lại. Phản ứng thuận tỏa nhiệt ( H âm): tăng nhiệt độ thì K giảm, cân bằng dịch nghịch. Đọc theo Q và K: nhiệt độ đổi thì Q chưa đổi nhưng K đổi.
Vì sao đúng. K = k thuận /k nghịch và hai hằng số tốc độ phụ thuộc nhiệt độ. Phản ứng thu nhiệt có năng lượng hoạt hóa chiều thuận lớn hơn chiều nghịch đúng bằng H , nên tăng nhiệt độ làm k thuận tăng nhiều hơn k nghịch , K tăng.
Khi nào gãy. Dấu của H chỉ cho chiều đổi của K; độ lớn đổi nhiều hay ít phụ thuộc | H | (với H 2 + I 2 2HI chỉ khoảng -9,4 kJ/mol nên K đổi rất ít). Công thức van 't Hoff ở trên giả sử H không đổi nên chỉ đúng gần đúng.
Bí kíp 4 Khí trơ: hỏi thể tích hay áp suất được giữ cố định
Quy tắc. Thêm khí trơ ở thể tích cố định thì cân bằng không dịch chuyển . Thêm khí trơ ở áp suất cố định thì thể tích tăng, hệ hoạt động như khi giãn : n dương thì dịch thuận, n âm thì dịch nghịch, n = 0 thì không dịch chuyển.
Vì sao đúng. Khí trơ không có mặt trong Q. Ở thể tích cố định, số mol và nồng độ các chất phản ứng không đổi, nên Q vẫn bằng K dù áp suất toàn phần tăng. Ở áp suất cố định, tổng số mol tăng làm V tăng, nồng độ mọi chất phản ứng giảm, Q đổi như khi giãn.
Khi nào gãy. Khí “trơ” phải thật sự không phản ứng và không đổi tính chất của hỗn hợp; ở áp suất rất cao, khí thực lệch khỏi mô hình lí tưởng.
Bí kíp 5 Xúc tác: nhanh hơn, không đổi chỗ đứng
Quy tắc. Chất xúc tác không làm đổi K, không làm đổi lượng chất ở cân bằng, không làm cân bằng dịch chuyển; nó chỉ rút ngắn thời gian đạt cân bằng.
Vì sao đúng. Xúc tác mở đường phản ứng có năng lượng hoạt hóa thấp hơn cho cả hai chiều với cùng một mức giảm, nên k thuận và k nghịch tăng cùng một hệ số; K = k thuận /k nghịch không đổi và H không đổi.
Khi nào gãy. Nói “xúc tác tăng hiệu suất” là sai khi nói về cân bằng. Trong công nghiệp, xúc tác giúp đạt gần cân bằng trong thời gian ngắn ở nhiệt độ thấp hơn, đó là lợi ích về tốc độ, không phải về vị trí cân bằng.
04
Tự dự đoán trước khi xem đáp án
Bốn tình huống nhanh
Ống tiêm kín chứa N 2 O 4 2NO 2 ở 298 K đã cân bằng. Đẩy pít-tông nén thể tích còn một nửa, giữ nhiệt độ. Quan sát màu nâu?
Hệ N 2 + 3H 2 2NH 3 cân bằng trong bình kín thể tích cố định. Bơm thêm khí heli vào bình, giữ nhiệt độ. Cân bằng thế nào?
Phản ứng thuận tỏa nhiệt ( H âm) đang cân bằng. Tăng nhiệt độ rồi so sánh ngay lúc đó Q với K mới. Kết quả?
H 2 + I 2 2HI đang cân bằng ở 700 K. Nén thể tích còn một nửa, giữ nhiệt độ. Điều nào đúng?
05
Tư duy nguyên lí · Một câu hỏi về lí lẽ, không phải về con số
Vì sao nhiệt độ làm đổi K còn áp suất thì không, và vì sao khí trơ ở thể tích cố định không làm gì?
Nguyên lí: (a) vì sao thay đổi nhiệt độ làm đổi hằng số cân bằng K còn thay đổi áp suất (nén, giãn) thì K giữ nguyên; (b) vì sao thêm khí trơ ở thể tích cố định không làm cân bằng dịch chuyển, dù áp suất toàn phần tăng. Hãy trả lời bằng khái niệm tốc độ và Q, K.
Hãy tự phác hai đoạn trên giấy, rồi mở từng bước để đối chiếu.
Gợi ý 1 · K được “làm bằng” những gì?
Ở cân bằng, tốc độ thuận bằng tốc độ nghịch: k thuận ·(tích nồng độ chất đầu) = k nghịch ·(tích nồng độ sản phẩm). Từ đó K bằng tỉ số của hai đại lượng nào? Hai đại lượng ấy phụ thuộc vào điều gì: nồng độ hay nhiệt độ?
Gợi ý 2 · Khí trơ làm đổi cái gì?