Phản ứng gần như không thể đảo ngược. Phản ứng thuận nghịch và không thể đảo ngược

13.10.2019

Các phản ứng hóa học xảy ra theo một chiều gọi là không thể đảo ngược.

Số đông quá trình hóa học là có thể đảo ngược. Điều này có nghĩa là trong cùng điều kiện, cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều xảy ra (đặc biệt nếu Chúng ta đang nói về về hệ thống khép kín).

Ví dụ:

một sự phản ứng

V. hệ thống mở không thể đảo ngược;

b) phản ứng tương tự

trong một hệ thống khép kín có thể đảo ngược.

Cân bằng hóa học

Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn các quá trình xảy ra trong các phản ứng thuận nghịch, ví dụ, đối với phản ứng có điều kiện:

Dựa vào quy luật tác động quần chúng tốc độ phản ứng thuận:

Vì nồng độ của các chất A và B giảm theo thời gian nên tốc độ phản ứng trực tiếp cũng giảm.

Sự xuất hiện của sản phẩm phản ứng có nghĩa là có khả năng xảy ra phản ứng nghịch và theo thời gian nồng độ của các chất C và D tăng lên, nghĩa là tốc độ phản ứng ngược.

Sớm hay muộn sẽ đạt đến trạng thái trong đó tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau = .

Trạng thái của hệ trong đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch gọi là cân bằng hóa học.

Trong trường hợp này, nồng độ chất phản ứng và sản phẩm phản ứng không thay đổi. Chúng được gọi là nồng độ cân bằng. Ở cấp độ vĩ mô, có vẻ như nhìn chung không có gì thay đổi. Nhưng trên thực tế, cả quá trình tiến và lùi vẫn tiếp tục diễn ra nhưng với tốc độ như nhau. Do đó, trạng thái cân bằng như vậy trong hệ thống được gọi là di động và động.

Hãy biểu thị nồng độ cân bằng của các chất [A], [B], [C], [D]. Khi đó vì = , k 1 [A] α [B] β = k 2 [C] γ [D] δ , Ở đâu

trong đó α, β, γ, δ là số mũ, bằng các hệ số của phản ứng thuận nghịch; K bằng - hằng số cân bằng hóa học.

Biểu thức kết quả mô tả định lượng trạng thái cân bằng và đại diện biểu thức toán họcđịnh luật tác dụng khối lượng đối với hệ cân bằng.

Ở nhiệt độ không đổi, hằng số cân bằng là giá trị không đổi cho một phản ứng thuận nghịch nhất định. Nó cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ của sản phẩm phản ứng (tử số) và chất ban đầu (mẫu số), được thiết lập ở trạng thái cân bằng.

Các hằng số cân bằng được tính toán từ số liệu thực nghiệm, xác định nồng độ cân bằng của chất ban đầu và sản phẩm phản ứng ở nhiệt độ nhất định.

Giá trị của hằng số cân bằng đặc trưng cho hiệu suất sản phẩm phản ứng và mức độ hoàn chỉnh của quá trình phản ứng. Nếu chúng ta nhận được K »1, điều này có nghĩa là ở trạng thái cân bằng [C] γ [D] δ " [MỘT] α [B] β , tức là nồng độ của sản phẩm phản ứng chiếm ưu thế so với nồng độ của các chất ban đầu và hiệu suất sản phẩm phản ứng cao.

Tại K bằng « 1, hiệu suất sản phẩm phản ứng tương ứng thấp. Ví dụ, đối với phản ứng thủy phân axit axetic etyl este

không đổi thế cân bằng:

ở 20 °C nó có giá trị 0,28 (nghĩa là nhỏ hơn 1).

Điều này có nghĩa là một phần đáng kể este không bị thủy phân.

Trong trường hợp phản ứng không đồng nhất, biểu thức của hằng số cân bằng chỉ bao gồm nồng độ của những chất ở pha khí hoặc pha lỏng. Ví dụ, đối với phản ứng

Hằng số cân bằng được biểu thị như sau:

Giá trị của hằng số cân bằng phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng và nhiệt độ.

Hằng số không phụ thuộc vào sự có mặt của chất xúc tác, vì nó làm thay đổi năng lượng hoạt hóa của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch một lượng như nhau. Chất xúc tác chỉ có thể đẩy nhanh quá trình bắt đầu cân bằng mà không ảnh hưởng đến giá trị của hằng số cân bằng.

Trạng thái cân bằng được duy trì vô thời hạn trong các điều kiện bên ngoài không đổi: nhiệt độ, nồng độ chất ban đầu, áp suất (nếu khí tham gia phản ứng hoặc được tạo thành).

Bằng cách thay đổi các điều kiện này, có thể chuyển hệ từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác đáp ứng các điều kiện mới. Quá trình chuyển đổi này được gọi là sự dịch chuyển hoặc chuyển dịch cân bằng.

Hãy xem xét những cách khác chuyển sang trạng thái cân bằng bằng cách sử dụng ví dụ về phản ứng giữa nitơ và hydro để tạo thành amoniac:

Tác dụng của việc thay đổi nồng độ các chất

Khi thêm nitơ N2 và hydro H2 vào hỗn hợp phản ứng, nồng độ của các khí này tăng lên, nghĩa là tốc độ phản ứng thuận tăng. Cân bằng dịch chuyển sang phải, về phía sản phẩm phản ứng, nghĩa là về phía amoniac NH 3.

N 2 +3H 2 → 2NH 3

Kết luận tương tự có thể được rút ra bằng cách phân tích biểu thức của hằng số cân bằng. Khi nồng độ nitơ và hydro tăng thì mẫu số tăng và vì K bằng nhau. - giá trị không đổi thì tử số phải tăng. Như vậy lượng sản phẩm phản ứng NH 3 trong hỗn hợp phản ứng sẽ tăng lên.

Sự tăng nồng độ của sản phẩm phản ứng amoniac NH 3 sẽ dẫn đến sự dịch chuyển cân bằng sang trái, theo hướng hình thành các chất ban đầu. Kết luận này có thể được rút ra dựa trên lý luận tương tự.

Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất

Sự thay đổi áp suất chỉ ảnh hưởng đến những hệ thống có ít nhất một trong các chất ở trạng thái khí. Khi áp suất tăng, thể tích khí giảm, đồng nghĩa với việc nồng độ của chúng tăng lên.

Giả sử rằng áp suất trong một hệ kín tăng lên gấp 2 lần. Điều này có nghĩa là nồng độ của tất cả các chất khí (N 2, H 2, NH 3) trong phản ứng đang xét sẽ tăng lên 2 lần. Trong trường hợp này, tử số trong biểu thức cho K bằng sẽ tăng 4 lần và mẫu số tăng 16 lần, tức là trạng thái cân bằng sẽ bị phá vỡ. Để khôi phục nó, nồng độ amoniac phải tăng lên và nồng độ nitơ và hydro phải giảm. Cân sẽ dịch chuyển sang phải. Sự thay đổi áp suất hầu như không ảnh hưởng đến thể tích chất lỏng và chất rắn, tức là không làm thay đổi nồng độ của chúng. Kể từ đây, trạng thái cân bằng hóa học của các phản ứng không có chất khí không phụ thuộc vào áp suất.

Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, tốc độ của tất cả các phản ứng (ngoại nhiệt và thu nhiệt) đều tăng. Hơn nữa, sự tăng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn hơn đến tốc độ của những phản ứng có năng lượng hoạt hóa cao hơn, nghĩa là thu nhiệt.

Do đó, tốc độ phản ứng nghịch (thu nhiệt) tăng nhiều hơn tốc độ phản ứng thuận. Trạng thái cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng quá trình kèm theo sự hấp thụ năng lượng.

Hướng dịch chuyển cân bằng có thể được dự đoán bằng cách sử dụng Nguyên lý Le Chatelier:

Nếu một tác động bên ngoài tác động lên một hệ đang ở trạng thái cân bằng (nồng độ, áp suất, nhiệt độ thay đổi), thì trạng thái cân bằng sẽ dịch chuyển sang phía làm suy yếu ảnh hưởng này.

Như vậy:

Khi nồng độ chất phản ứng tăng lên, trạng thái cân bằng hóa học của hệ thống chuyển dịch theo hướng hình thành sản phẩm phản ứng;

Khi nồng độ của các sản phẩm phản ứng tăng lên, trạng thái cân bằng hóa học của hệ thống sẽ chuyển dịch theo hướng hình thành các chất ban đầu;

Khi áp suất tăng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ chuyển dịch theo hướng phản ứng trong đó thể tích chất khí tạo thành nhỏ hơn;

Khi nhiệt độ tăng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ chuyển dịch theo hướng phản ứng thu nhiệt;

Khi nhiệt độ giảm, nó chuyển sang quá trình tỏa nhiệt.

Nguyên lý Le Chatelier không chỉ áp dụng cho các phản ứng hóa học mà còn áp dụng cho nhiều quá trình khác: bay hơi, ngưng tụ, nóng chảy, kết tinh, v.v. sản phẩm hóa chất Nguyên lý và tính toán của Le Chatelier xuất phát từ định luật tác dụng khối lượng giúp tìm ra điều kiện thực hiện các quá trình hóa học đảm bảo hiệu suất tối đa của chất mong muốn.

Tài liệu tham khảo khi làm bài thi:

Bảng Mendeleev

Bảng độ hòa tan

Một trong những đặc điểm quan trọng nhất phản ứng hóa học là độ sâu (mức độ) của sự biến đổi, cho thấy lượng chất ban đầu được chuyển hóa thành sản phẩm phản ứng là bao nhiêu. Nó càng lớn thì quá trình này có thể được thực hiện càng kinh tế hơn. Độ sâu của sự biến đổi, trong số các yếu tố khác, phụ thuộc vào khả năng thuận nghịch của phản ứng.

Có thể đảo ngược phản ứng , không giống không thể đảo ngược, không tiến hành đến cùng: không có chất phản ứng nào bị tiêu hao hoàn toàn. Đồng thời, sản phẩm phản ứng tương tác với sự hình thành chất ban đầu.

Hãy xem xét các ví dụ:

1) đưa những thể tích bằng nhau của khí iốt và hydro vào một bình kín ở nhiệt độ nhất định. Nếu sự va chạm của các phân tử của các chất này xảy ra với sự định hướng cần thiết và đủ năng lượng thì liên kết hóa học có thể được sắp xếp lại để tạo thành hợp chất trung gian (phức hợp được kích hoạt, xem phần 1.3.1). Việc sắp xếp lại các liên kết hơn nữa có thể dẫn đến sự phân hủy hợp chất trung gian thành hai phân tử hydro iodua. Phương trình phản ứng:

H2 + I2® 2HI

Nhưng các phân tử hydro iodua cũng sẽ va chạm ngẫu nhiên với các phân tử hydro, phân tử iốt và với nhau. Khi các phân tử HI va chạm nhau, không gì có thể ngăn cản sự hình thành hợp chất trung gian, hợp chất này sau đó có thể phân hủy thành iốt và hydro. Quá trình này được thể hiện bằng phương trình:

2HI ® H 2 + I 2

Do đó, hai phản ứng sẽ xảy ra đồng thời trong hệ thống này - sự hình thành hydro iodua và sự phân hủy của nó. Chúng có thể được biểu diễn bằng một phương trình tổng quát

H 2 + I 2 « 2HI

Khả năng đảo ngược của quá trình được biểu thị bằng dấu “.

Phản ứng hướng tới sự hình thành hydro iodua trong trường hợp này được gọi là trực tiếp và ngược lại được gọi là phản ứng ngược.

2) nếu trộn hai mol sulfur dioxide với một mol oxy, tạo điều kiện trong hệ thuận lợi cho phản ứng xảy ra và sau một thời gian phân tích hỗn hợp khí, kết quả sẽ cho thấy cả SO 3 - sản phẩm phản ứng và sản phẩm ban đầu - sẽ có mặt trong hệ thống các chất - SO 2 và O 2. Nếu, trong cùng điều kiện, oxit lưu huỳnh (+6) được đặt làm chất ban đầu thì người ta sẽ thấy rằng một phần của nó sẽ phân hủy thành oxy và lưu huỳnh oxit (+4), và tỷ lệ cuối cùng giữa số lượng của tất cả ba chất sẽ giống như trong trường hợp chúng bắt đầu từ hỗn hợp sulfur dioxide và oxy.

Như vậy, sự tương tác của sulfur dioxide với oxy cũng là một trong những ví dụ về phản ứng hóa học thuận nghịch và được biểu thị bằng phương trình

2SO 2 + O 2 « 2SO 3

3) sự tương tác của sắt với axit clohydric diễn ra theo phương trình:

Fe + 2HCL ® FeCL 2 + H 2

Với số lượng đủ của axit clohiđric phản ứng sẽ kết thúc khi

tất cả sắt sẽ được sử dụng hết. Ngoài ra, nếu bạn cố gắng thực hiện phản ứng này theo hướng ngược lại - cho hydro đi qua dung dịch clorua sắt, thì sắt kim loại và axit clohydric sẽ không hoạt động - phản ứng này không thể diễn ra theo hướng ngược lại. Vì vậy, sự tương tác của sắt với axit clohydric là phản ứng không thuận nghịch.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng về mặt lý thuyết, bất kỳ quá trình không thuận nghịch nào cũng có thể được coi là xảy ra thuận nghịch trong một số điều kiện nhất định, tức là. Về nguyên tắc, mọi phản ứng đều có thể coi là thuận nghịch. Nhưng rất thường xuyên một trong những phản ứng chiếm ưu thế rõ ràng. Điều này xảy ra trong trường hợp các sản phẩm tương tác được loại bỏ khỏi phạm vi phản ứng: tạo thành kết tủa, khí được giải phóng và các sản phẩm thực tế không phân ly được hình thành trong quá trình phản ứng trao đổi ion; hoặc khi, do dư thừa rõ ràng các chất ban đầu, quá trình ngược lại trên thực tế bị ngăn chặn. Do đó, việc loại trừ tự nhiên hoặc nhân tạo khả năng xảy ra phản ứng ngược cho phép quá trình được hoàn thành gần như hoàn thành.

Ví dụ về các phản ứng như vậy bao gồm sự tương tác của natri clorua với bạc nitrat trong dung dịch

NaCL + AgNO 3 ® AgCl¯ + NaNO 3 ,

đồng bromua với amoniac

CuBr 2 + 4NH 3 ® Br 2,

trung hòa axit clohydric bằng dung dịch natri hydroxit

HCl + NaOH ® NaCl + H 2 O.

Đây chỉ là những ví dụ thực tế các quá trình không thể đảo ngược, vì bạc clorua hòa tan phần nào và cation phức 2+ không ổn định tuyệt đối và nước phân ly, mặc dù ở mức độ cực kỳ không đáng kể.

Video hướng dẫn 2: Chuyển dịch cân bằng hóa học

Bài học: Có thể đảo ngược và không thể đảo ngược phản ứng hoá học. Cân bằng hóa học. Sự chuyển dịch cân bằng hóa học dưới tác động của các yếu tố khác nhau

Phản ứng hóa học thuận nghịch và không thể đảo ngược

Ở bài học trước, bạn đã biết tốc độ của một phản ứng hóa học là gì và những yếu tố nào ảnh hưởng đến nó. Trong bài học này chúng ta sẽ xem xét những phản ứng này xảy ra như thế nào. Điều này phụ thuộc vào hoạt động của các chất ban đầu tham gia phản ứng - thuốc thử. Nếu chúng được chuyển hóa hoàn toàn thành chất - sản phẩm cuối cùng thì phản ứng là không thể đảo ngược. Chà, nếu sản phẩm cuối cùng được chuyển đổi trở lại thành chất ban đầu thì phản ứng sẽ thuận nghịch. Khi tính đến điều này, chúng ta hãy đưa ra các định nghĩa:

Hồi phục lại- đây là một phản ứng nhất định xảy ra trong cùng điều kiện theo chiều thuận và chiều ngược lại.

Hãy nhớ rằng, trong các bài học hóa học họ đã cho bạn xem ví dụ rõ ràng Phản ứng thuận nghịch tạo ra axit cacbonic:

CO 2 + H 2 O<->H2CO3

Phản ứng không thể đảo ngược- đây là một phản ứng hóa học nhất định sẽ hoàn thành theo một hướng cụ thể.

Một ví dụ là phản ứng đốt cháy photpho: 4P + 5O 2 → 2P 2 O 5

Một số bằng chứng về tính không thuận nghịch của phản ứng là sự hình thành kết tủa hoặc giải phóng khí.

Cân bằng hóa học

Khi tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau thì xảy ra cân bằng hóa học.

Nghĩa là, trong các phản ứng thuận nghịch, hỗn hợp cân bằng của chất phản ứng và sản phẩm được hình thành. Chúng ta hãy xem một ví dụ về cách hình thành trạng thái cân bằng hóa học. Hãy xem phản ứng hình thành hydro iodua:

H 2 (g) + I 2 (g)<->2HI(g)

Chúng ta có thể đun nóng hỗn hợp khí hydro và iốt hoặc hydro iốt làm sẵn, kết quả trong cả hai trường hợp đều giống nhau: tạo thành hỗn hợp cân bằng của ba chất H 2, I 2, HI.

Khi bắt đầu phản ứng, trước khi hình thành hydro iodua, phản ứng trực tiếp xảy ra với tốc độ ( v vân vân ). Hãy biểu diễn nó bằng phương trình động học v pr = k 1, trong đó k 1 là hằng số tốc độ của phản ứng thuận. Sản phẩm HI dần dần được hình thành, trong cùng điều kiện, bắt đầu phân hủy thành H 2 và I 2. phương trình quá trình này như sau: v mảng = k 2 2, trong đó v rev – tốc độ phản ứng nghịch, k 2 – hằng số tốc độ phản ứng nghịch. Hiện tại HI đã đủ thăng cấp v Tại v cân bằng hoá học xảy ra. Lượng chất ở trạng thái cân bằng, trong trường hợp của chúng ta là H 2, I 2 và HI, không thay đổi theo thời gian mà chỉ thay đổi khi không có tác động từ bên ngoài. Từ những điều trên cho thấy trạng thái cân bằng hóa học là động. Trong phản ứng của chúng tôi, hydro iodua được hình thành hoặc tiêu thụ.

Hãy nhớ rằng, việc thay đổi điều kiện phản ứng cho phép bạn dịch chuyển trạng thái cân bằng theo hướng mong muốn. Nếu chúng ta tăng nồng độ iốt hoặc hydro thì nó sẽ tăng v Như vậy sẽ có sự dịch chuyển về bên phải, sẽ hình thành nhiều hydro iodua hơn. Nếu chúng ta tăng nồng độ hydro iodua thì nó sẽ tăng v arr và sự dịch chuyển sẽ ở bên trái. Chúng ta có thể nhận được nhiều/ít thuốc thử và sản phẩm hơn.

Vì vậy, trạng thái cân bằng hóa học có xu hướng chống lại các tác động bên ngoài. Việc bổ sung H 2 hoặc I 2 cuối cùng sẽ dẫn đến sự gia tăng mức tiêu thụ của chúng và tăng HI. Và ngược lại. Quá trình này trong khoa học được gọi là Nguyên lý Le-Chatelier. Nó viết:

Nếu một hệ ở trạng thái cân bằng ổn định chịu tác động từ bên ngoài (do thay đổi nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ), thì sẽ xảy ra sự dịch chuyển theo hướng của một quá trình làm suy yếu ảnh hưởng này.

Hãy nhớ rằng, chất xúc tác không thể làm thay đổi trạng thái cân bằng. Anh ta chỉ có thể tăng tốc độ khởi phát của nó.

Sự chuyển dịch cân bằng hóa học dưới tác động của các yếu tố khác nhau

Thay đổi nồng độ . Ở trên, chúng ta đã xem xét yếu tố này làm dịch chuyển trạng thái cân bằng theo chiều thuận hoặc chiều ngược lại như thế nào. Nếu nồng độ chất phản ứng tăng thì cân bằng sẽ dịch chuyển về phía tiêu hao chất này. Nếu bạn giảm nồng độ, nó sẽ chuyển sang phía nơi chất này được hình thành. Hãy nhớ rằng, phản ứng có thể thuận nghịch và chất phản ứng có thể là chất ở cả bên phải và bên trái, tùy thuộc vào phản ứng mà chúng ta đang xem xét (trực tiếp hoặc ngược).

Ảnh hưởngt . Sự gia tăng của nó gây ra sự dịch chuyển trạng thái cân bằng theo hướng phản ứng thu nhiệt (- Q) và giảm theo hướng phản ứng tỏa nhiệt (+ Q). Các phương trình phản ứng biểu thị hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch là ngược lại. Quy tắc này chỉ phù hợp với các phản ứng có tác dụng nhiệt. Nếu không có thì t không có khả năng làm dịch chuyển trạng thái cân bằng, nhưng sự gia tăng của nó sẽ đẩy nhanh quá trình xuất hiện trạng thái cân bằng.

Ảnh hưởng của áp lực . Yếu tố này có thể được sử dụng trong các phản ứng liên quan đến chất khí. Nếu số mol khí bằng 0 thì sẽ không có sự thay đổi nào. Khi áp suất tăng, trạng thái cân bằng sẽ chuyển sang thể tích nhỏ hơn. Khi áp suất giảm, trạng thái cân bằng sẽ chuyển sang thể tích lớn hơn. Thể tích - xét hệ số của các chất khí trong phương trình phản ứng.

Phản ứng hóa học thuận nghịch và không thuận nghịch. Cân bằng hóa học. Chuyển dịch cân bằng dưới tác động của nhiều yếu tố

Cân bằng hóa học

Các phản ứng hóa học xảy ra theo một chiều gọi là không thể đảo ngược.

Hầu hết các quá trình hóa học đều có thể đảo ngược. Điều này có nghĩa là trong cùng điều kiện, cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều xảy ra (đặc biệt nếu chúng ta đang nói về các hệ kín).

Ví dụ:

một sự phản ứng

$CaCO_3(→)↖(t)CaO+CO_2$

không thể đảo ngược trong một hệ thống mở;

b) phản ứng tương tự

$CaCO_3⇄CaO+CO_2$

trong hệ kín là thuận nghịch.

Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn các quá trình xảy ra trong các phản ứng thuận nghịch, ví dụ, đối với phản ứng có điều kiện:

Dựa vào định luật tác dụng khối lượng, tốc độ phản ứng trực tiếp

$(υ)↖(→)=k_(1) C_(A)^(α) C_(B)^(β)$

Vì nồng độ của các chất $A$ và $B$ giảm theo thời gian nên tốc độ phản ứng trực tiếp cũng giảm.

Sự xuất hiện của sản phẩm phản ứng đồng nghĩa với khả năng xảy ra phản ứng nghịch và theo thời gian, nồng độ các chất $C$ và $D$ tăng lên, đồng nghĩa với việc tốc độ phản ứng nghịch cũng tăng lên:

$(υ)↖(→)=k_(2) C_(C)^(γ) C_(D)^(δ)$

Sớm hay muộn sẽ đạt đến trạng thái trong đó tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau

${υ}↖{→}={υ}↖{←}$

Trạng thái của hệ trong đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch được gọi là trạng thái cân bằng hóa học.

Trong trường hợp này, nồng độ chất phản ứng và sản phẩm phản ứng không thay đổi. Chúng được gọi là nồng độ cân bằng. Ở cấp độ vĩ mô, có vẻ như nhìn chung không có gì thay đổi. Nhưng trên thực tế, cả quá trình tiến và lùi vẫn tiếp tục diễn ra nhưng với tốc độ như nhau. Do đó, trạng thái cân bằng như vậy trong hệ thống được gọi là di động Và năng động.

Không đổi thế cân bằng

Hãy biểu thị nồng độ cân bằng của các chất là $[A], [B], [C], [D]$.

Khi đó vì $(υ)↖(→)=(υ)↖(←), k_(1)·[A]^(α)·[B]^(β)=k_(2)·[C]^ ( γ)·[D]^(δ)$, từ đó

$([C]^(γ)·[D]^(δ))/([A]^(α)·[B]^(β))=(k_1)/(k_2)=K_(bằng) $

trong đó $γ, δ, α, β$ là số mũ bằng hệ số của phản ứng thuận nghịch; $K_(bằng)$ là hằng số cân bằng hóa học.

Biểu thức thu được mô tả một cách định lượng trạng thái cân bằng và là biểu thức toán học của định luật tác dụng khối lượng đối với hệ cân bằng.

Ở nhiệt độ không đổi, hằng số cân bằng là giá trị không đổi đối với một phản ứng thuận nghịch nhất định. Nó cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ của sản phẩm phản ứng (tử số) và chất ban đầu (mẫu số), được thiết lập ở trạng thái cân bằng.

Các hằng số cân bằng được tính toán từ số liệu thực nghiệm, xác định nồng độ cân bằng của các chất ban đầu và sản phẩm phản ứng ở nhiệt độ nhất định.

Giá trị của hằng số cân bằng đặc trưng cho hiệu suất sản phẩm phản ứng và mức độ hoàn chỉnh của quá trình phản ứng. Nếu chúng ta nhận được $K_(bằng) >> 1$, điều này có nghĩa là ở trạng thái cân bằng $[C]^(γ)·[D]^(δ) >> [A]^(α)·[B]^( β )$, tức là nồng độ của sản phẩm phản ứng chiếm ưu thế so với nồng độ của các chất ban đầu và hiệu suất sản phẩm phản ứng cao.

Tại $K_(bằng)

$CH_3COOC_2H_5+H_2O⇄CH_3COOH+C_2H_5OH$

không đổi thế cân bằng

$K_(bằng)=(·)/(·)$

ở mức $20°С$ giá trị là $0,28$ (tức là nhỏ hơn $1$). Điều này có nghĩa là một phần đáng kể este không bị thủy phân.

hằng số cân bằng được biểu thị như sau:

$K_(bằng)=(^2)/()$

Giá trị của hằng số cân bằng phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng và nhiệt độ.

Hằng số không phụ thuộc vào sự có mặt của chất xúc tác, vì nó thay đổi năng lượng hoạt hóa của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch một lượng như nhau. Chất xúc tác chỉ có thể đẩy nhanh quá trình bắt đầu cân bằng mà không ảnh hưởng đến giá trị của hằng số cân bằng.

Chuyển dịch cân bằng dưới tác động của nhiều yếu tố

Bằng cách thay đổi các điều kiện này, có thể chuyển hệ từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác đáp ứng các điều kiện mới. Quá trình chuyển đổi này được gọi là sự dịch chuyển hoặc chuyển dịch cân bằng.

Chúng ta hãy xem xét các cách khác nhau để thay đổi trạng thái cân bằng bằng ví dụ về phản ứng giữa nitơ và hydro để tạo thành amoniac:

$N_2+3H_2⇄2HN_3+Q$

$K_(bằng)=(^2)/(·^3)$

Tác dụng của việc thay đổi nồng độ các chất

Khi thêm nitơ $N_2$ và hydro $H_2$ vào hỗn hợp phản ứng, nồng độ của các khí này tăng lên, nghĩa là tốc độ phản ứng trực tiếp tăng lên. Cân bằng chuyển dịch sang phải, về phía sản phẩm phản ứng, tức là hướng tới amoniac $NH_3$.

Có thể rút ra kết luận tương tự bằng cách phân tích biểu thức của hằng số cân bằng. Khi nồng độ nitơ và hydro tăng lên, mẫu số cũng tăng và vì $K_(bằng)$ là một giá trị không đổi nên tử số phải tăng. Do đó, lượng sản phẩm phản ứng $NH_3$ trong hỗn hợp phản ứng sẽ tăng lên.

Sự tăng nồng độ của sản phẩm phản ứng amoniac $NH_3$ sẽ dẫn đến sự dịch chuyển cân bằng sang trái, theo hướng hình thành các chất ban đầu. Kết luận này có thể được rút ra dựa trên lý luận tương tự.

Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất

Giả sử rằng áp suất trong một hệ thống khép kín tăng lên, chẳng hạn như $2$ lần. Điều này có nghĩa là nồng độ của tất cả các chất khí ($N_2, H_2, NH_3$) trong phản ứng mà chúng ta đang xem xét sẽ tăng $2$ lần. Trong trường hợp này, tử số trong biểu thức $K_(bằng)$ sẽ tăng 4 lần và mẫu số tăng $16$ lần, tức là. sự cân bằng sẽ bị phá vỡ. Để khôi phục nó, nồng độ amoniac phải tăng lên và nồng độ nitơ và hydro phải giảm. Cân sẽ dịch chuyển sang phải. Sự thay đổi áp suất hầu như không ảnh hưởng đến thể tích của chất lỏng và chất rắn, tức là không làm thay đổi nồng độ của chúng. Do đó, trạng thái cân bằng hóa học của các phản ứng không có chất khí không phụ thuộc vào áp suất.

Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ

Như bạn đã biết, khi nhiệt độ tăng, tốc độ của tất cả các phản ứng (ngoại nhiệt và thu nhiệt) đều tăng. Hơn nữa, sự gia tăng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn hơn đến tốc độ của những phản ứng có năng lượng hoạt hóa cao và do đó có tính thu nhiệt.

Do đó, tốc độ của phản ứng nghịch (trong ví dụ của chúng ta là phản ứng thu nhiệt) tăng nhiều hơn tốc độ của phản ứng thuận. Trạng thái cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng quá trình kèm theo sự hấp thụ năng lượng.

Hướng dịch chuyển cân bằng có thể được dự đoán bằng nguyên lý Le Chatelier (1884):

Hãy rút ra kết luận:

với sự gia tăng nồng độ chất phản ứng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ thống chuyển sang hình thành các sản phẩm phản ứng;
với sự gia tăng nồng độ của các sản phẩm phản ứng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ thống sẽ chuyển sang hình thành các chất ban đầu;
khi áp suất ngày càng tăng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ chuyển dịch theo hướng phản ứng trong đó thể tích chất khí tạo thành nhỏ hơn;
khi nhiệt độ tăng, trạng thái cân bằng hóa học của hệ chuyển sang phản ứng thu nhiệt;
với nhiệt độ giảm - hướng tới một quá trình tỏa nhiệt.

Nguyên lý Le Chatelier không chỉ áp dụng cho các phản ứng hóa học mà còn áp dụng cho nhiều quá trình khác: bay hơi, ngưng tụ, nóng chảy, kết tinh, v.v. Trong quá trình sản xuất các sản phẩm hóa học quan trọng nhất, nguyên lý và tính toán của Le Chatelier xuất phát từ quy luật tác dụng khối lượng giúp tìm ra các điều kiện như vậy để thực hiện các quá trình hóa học mang lại hiệu suất tối đa của chất mong muốn.

Trong số rất nhiều cách phân loại các loại phản ứng, chẳng hạn như những loại được xác định bởi hiệu ứng nhiệt(tỏa nhiệt và thu nhiệt), theo sự thay đổi trạng thái oxy hóa của các chất (oxy hóa khử), theo số lượng thành phần tham gia vào chúng (sự phân hủy, hợp chất), v.v., các phản ứng xảy ra theo hai hướng lẫn nhau, hay còn gọi là có thể đảo ngược . Một phản ứng thay thế cho phản ứng thuận nghịch là phản ứng không thể đảo ngược, trong đó sản phẩm cuối cùng (kết tủa, chất khí, nước) được hình thành. Trong số những phản ứng này có những phản ứng sau:

Phản ứng trao đổi giữa các dung dịch muối tạo thành kết tủa không tan - CaCO 3:

Ca(OH) 2 + K 2 CO 3 → CaCO3↓ + 2KON (1)

hoặc chất khí - CO 2:

3 K 2 CO 3 + 2H 3 RO 4 →2K 3 RO 4 + 3 CO2+ 3H 2 O (2)

hoặc thu được chất ít tan - H 2 O:

2NaOH + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2 H2ồ(3)

Nếu chúng ta xem xét một phản ứng thuận nghịch, thì nó không chỉ diễn ra theo hướng thuận (trong các phản ứng 1,2,3 từ trái sang phải), mà còn theo hướng ngược lại. Một ví dụ về phản ứng như vậy là sự tổng hợp amoniac từ các chất khí - hydro và nitơ:

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (4)

Như vậy, một phản ứng hóa học được gọi là thuận nghịch nếu nó không chỉ diễn ra theo chiều thuận (→) mà còn diễn ra theo chiều ngược lại (←) và được biểu thị bằng ký hiệu (↔).

Tính năng chính thuộc loại này phản ứng là sản phẩm phản ứng được hình thành từ các chất ban đầu, nhưng đồng thời, từ chính các sản phẩm này, ngược lại, các thuốc thử ban đầu được hình thành. Nếu chúng ta xem xét phản ứng (4), thì trong một đơn vị thời gian tương đối, đồng thời với sự hình thành của hai mol amoniac, sự phân hủy của chúng sẽ xảy ra với sự hình thành của ba mol hydro và một mol nitơ. Chúng ta hãy biểu thị tốc độ phản ứng trực tiếp (4) bằng ký hiệu V 1, khi đó biểu thức cho tốc độ này sẽ có dạng:

V 1 = kˑ [Н 2 ] 3 ˑ , (5)

trong đó giá trị “k” được định nghĩa là hằng số tốc độ của một phản ứng nhất định, các giá trị [H 2 ] 3 và tương ứng với nồng độ của các chất ban đầu được nâng lên lũy thừa tương ứng với các hệ số trong phương trình phản ứng. Theo nguyên lý thuận nghịch, tốc độ phản ứng nghịch sẽ có biểu thức:

V 2 = kˑ 2 (6)

Tại thời điểm ban đầu tốc độ phản ứng thuận có giá trị lớn nhất. Nhưng dần dần nồng độ của thuốc thử ban đầu giảm và tốc độ phản ứng chậm lại. Đồng thời, tốc độ phản ứng nghịch bắt đầu tăng lên. Khi tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau (V 1 = V 2), trạng thái cân bằng , tại đó không còn sự thay đổi về nồng độ của cả thuốc thử ban đầu và thuốc thử thu được.

Cần lưu ý rằng một số không phản ứng thuận nghịch không nên hiểu theo nghĩa đen. Chúng ta hãy đưa ra một ví dụ về phản ứng được trích dẫn thường xuyên nhất của kim loại với axit, đặc biệt là kẽm với axit clohydric:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H 2 (7)

Trên thực tế, kẽm khi hòa tan trong axit sẽ tạo thành muối: kẽm clorua và khí hydro, nhưng sau một thời gian, tốc độ phản ứng trực tiếp chậm lại khi nồng độ muối trong dung dịch tăng lên. Khi phản ứng gần như dừng lại, một lượng axit clohydric nhất định sẽ có mặt trong dung dịch cùng với kẽm clorua, vì vậy phản ứng (7) phải được đưa ra dưới dạng sau:

2Zn + 2HCl = 2ZnНCl + H2 (8)

Hoặc trong trường hợp tạo thành kết tủa không tan thu được khi trộn dung dịch Na 2 SO 4 và BaCl 2:

Na 2 SO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 ↓ + 2NaCl (9)

muối kết tủa BaSO 4, dù ở mức độ nhỏ, sẽ phân ly thành các ion:

BaSO 4 ↔ Ba 2+ + SO 4 2- (10)

Do đó, các khái niệm về phản ứng không thể đảo ngược và không thể đảo ngược là tương đối. Nhưng tuy nhiên, cả về bản chất lẫn trong hoạt động thực tiễn của con người, những phản ứng này đều có tầm quan trọng rất lớn. Ví dụ, quá trình đốt cháy hydrocarbon hoặc phức tạp hơn chất hữu cơ, ví dụ rượu:

CH 4 + O 2 = CO 2 + H 2 O (11)

2C 2 H 5 OH + 5O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O (12)

là những quá trình hoàn toàn không thể đảo ngược. Sẽ được coi là một giấc mơ hạnh phúc của nhân loại nếu phản ứng (11) và (12) có thể đảo ngược được! Khi đó người ta có thể tổng hợp lại khí đốt, xăng và rượu từ CO 2 và H 2 O! Mặt khác, các phản ứng thuận nghịch như (4) hoặc quá trình oxy hóa sulfur dioxide:

SO 2 + O 2 ↔ SO 3 (13)

là nguyên liệu chính trong sản xuất muối amoni, axit nitric, axit sulfuric, v.v., cả vô cơ và hợp chất hữu cơ. Nhưng những phản ứng này có thể đảo ngược được! Và để thu được sản phẩm cuối cùng là NH 3 hoặc SO 3 cần sử dụng các phương pháp công nghệ như: thay đổi nồng độ thuốc thử, thay đổi áp suất, tăng giảm nhiệt độ. Nhưng đây sẽ là chủ đề của chủ đề tiếp theo: “Sự dịch chuyển cân bằng hóa học”.

trang web, khi sao chép toàn bộ hoặc một phần tài liệu đều phải có liên kết đến nguồn.

lượt xem

Lưu VKontakte