Công thức tính hằng số cân bằng và khái niệm về hằng số cân bằng

Hằng số cân bằng, còn được gọi là hằng số điều chỉnh hoặc hằng số K, là một khía cạnh quan trọng trong lĩnh vực hóa học và nó chủ yếu được sử dụng để mô tả và dự đoán sự cân bằng của một phản ứng hóa học. Công thức tính hằng số cân bằng giúp nhà hóa học hiểu rõ quá trình phản ứng diễn ra như thế nào dưới các điều kiện cụ thể. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về hằng số cân bằng và cách tính chúng.

1. Khái niệm về hằng số cân bằng:

Để hiểu về công thức tính hằng số cân bằng, chúng ta cần hiểu về hằng số cân bằng trước. Hằng số cân bằng (K) là một giá trị đại số biểu thị sự cân bằng của một phản ứng hóa học trong một thể tích cố định ở một nhiệt độ và áp suất cụ thể. Nó mô tả tỷ lệ giữa sản phẩm và tác chất ở trạng thái cân bằng của phản ứng. Hằng số cân bằng được biểu diễn bằng một biểu thức toán cụ thể cho mỗi phản ứng hóa học.

2. Biểu diễn hằng số cân bằng:

Để hiểu hơn về công thức tính hằng số cân bằng, chúng ta sẽ tìm hiểu cách biểu diễn nó. Hằng số cân bằng cho một phản ứng hóa học tổng quát có thể biểu diễn như sau:

aA + bB ⇌ cC + dD

Trong đó:

a, b, c, d là các hệ số stoichiometric (số nguyên tố) cho sản phẩm và tác chất.

A, B, C, D là các chất tham gia phản ứng (tác chất và sản phẩm).

K là hằng số cân bằng.

Hằng số cân bằng (K) thường được biểu diễn dưới dạng biểu thức toán cụ thể cho từng phản ứng, dựa trên nhiệt độ và áp suất cụ thể.

3. Công thức tính hằng số cân bằng:

Hằng số cân bằng (K) được tính bằng cách sử dụng biểu thức toán gọi là biểu thức cân bằng. Đối với một phản ứng tổng quát như trên, biểu thức cân bằng có dạng:

K = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b

Trong đó:

[A], [B], [C], và [D] là nồng độ (hoặc áp suất) của các chất tương ứng tại trạng thái cân bằng.

a, b, c, d là các hệ số stoichiometric.

4. Ý nghĩa của hằng số cân bằng:

K > 1: Sản phẩm ở trạng thái cân bằng nhiều hơn so với tác chất. Phản ứng được định hướng theo chiều sản phẩm.

K < 1: Tác chất ở trạng thái cân bằng nhiều hơn so với sản phẩm. Phản ứng được định hướng theo chiều tác chất.

K ≈ 1: Sản phẩm và tác chất ở trạng thái cân bằng gần bằng nhau. Phản ứng gần đạt cân bằng.

4. Ứng dụng của hằng số cân bằng:

Dự đoán hướng phản ứng: Hằng số cân bằng giúp dự đoán xem một phản ứng sẽ diễn ra theo chiều nào dưới các điều kiện cụ thể.

Tối ưu hóa điều kiện: Nhà hóa học có thể điều chỉnh điều kiện (nhiệt độ, áp suất) để đạt được một tỷ lệ sản phẩm/tác chất mong muốn.

Thiết kế quá trình: Trong ngành công nghiệp, hằng số cân bằng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế các quá trình sản xuất hóa học và chế biến.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

Yếu tố nồng độ

Các em hãy xét cân bằng hóa học sau:

​    C + CO2 => 2CO

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:

​N2O4 => 2NO2

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.

H2 + I2 => 2HI​

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.

ΔH=-58kJ      N2O4 => NO2​                     ΔH=+58kJ​

Xét phản ứng trên các em sẽ thấy:

Phản ứng thuận thu nhiệt vì ΔH = +58kJ > 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).

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.

Hằng số cân bằng là một khái niệm quan trọng trong hóa học, giúp hiểu rõ sự cân bằng trong các phản ứng hóa học và có thể áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng công nghiệp.Nếu bạn còn bất kỳ thắc mắc nào về công thức tính hằng số cân bằng, hãy gọi đến HOTLINE 1900 2276 của Trung tâm sửa chữa điện lạnh – điện tử Limosa để được hỗ trợ.