Bài học

Ảnh hưởng của áp suất đến chuyển dịch cân bằng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nhận biết được cân bằng nào chịu ảnh hưởng của áp suất (dựa vào tổng số mol khí hai vế phương trình), dự đoán đúng chiều chuyển dịch khi tăng/giảm áp suất, và giải thích được vì sao một số cân bằng hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi áp suất.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương 3 đã giới thiệu nguyên lí Le Chatelier cùng ví dụ về áp suất với cân bằng $N_2O_4 \rightleftharpoons 2NO_2$ . Bài này hệ thống hoá quy tắc áp suất một cách đầy đủ, dùng lại kĩ năng đếm hệ số tỉ lượng trong phương trình hoá học đã cân bằng — kĩ năng em luyện tập từ những bài cân bằng phương trình đầu tiên ở lớp 8.

Chương 3 đã giới thiệu nguyên lí Le Chatelier cùng ví dụ về áp suất với cân bằng $N_2O_4 \rightleftharpoons 2NO_2$. Bài này hệ thống hoá quy tắc áp suất một cách đầy đủ, dùng lại kĩ năng đếm hệ số tỉ lượng trong phương trình hoá học đã cân bằng — kĩ năng em luyện tập từ những bài cân bằng phương trình đầu tiên ở lớp 8.

Khởi động

Cân bằng $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$ có tổng 2 mol khí ở cả hai vế phương trình. Nếu nén bình chứa cân bằng này để tăng áp suất, cân bằng có chuyển dịch giống như cân bằng $N_2O_4 \rightleftharpoons 2NO_2$ đã học không?

Kiến thức trọng tâm

Áp suất chỉ ảnh hưởng tới cân bằng có chất khí, và mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào sự chênh lệch tổng số mol khí giữa hai vế phương trình (kí hiệu $\Delta n = n_{khí, sản phẩm} - n_{khí, chất phản ứng}$ ).

Khi tăng áp suất chung của hệ (bằng cách giảm thể tích bình ở nhiệt độ không đổi), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tổng số mol khí — vì đó là chiều "chống lại" sự tăng áp suất. Khi giảm áp suất (tăng thể tích bình), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng tổng số mol khí.

Nếu $\Delta n \neq 0$ (số mol khí hai vế khác nhau), thay đổi áp suất có làm cân bằng chuyển dịch. Nếu $\Delta n = 0$ (số mol khí hai vế bằng nhau), thay đổi áp suất không làm cân bằng chuyển dịch, vì không có chiều nào "có lợi hơn" chiều nào về mặt số mol khí — cả hai chiều đều chịu tác động của áp suất như nhau. Đây là một điểm học sinh hay bỏ sót: áp suất không phải lúc nào cũng làm cân bằng chuyển dịch.

Trường hợp đặc biệt cần lưu ý: nếu hệ có cả chất rắn/lỏng nguyên chất lẫn chất khí, chỉ đếm số mol của chất khí ở mỗi vế (không đếm chất rắn/lỏng), vì áp suất do chất khí gây ra là yếu tố quyết định.

Cũng cần phân biệt "áp suất chung của hệ" (do nén thể tích, làm tăng nồng độ mọi chất khí cùng lúc theo cùng tỉ lệ) với việc bơm thêm khí trơ (như khí $N_2$ trơ, không tham gia phản ứng) vào bình ở thể tích không đổi: trường hợp sau không làm thay đổi nồng độ mol/lít của bất kì chất nào đang phản ứng, nên không làm cân bằng chuyển dịch — dù áp suất tổng của bình có tăng lên trên đồng hồ đo.

Áp suất chỉ ảnh hưởng tới cân bằng có **chất khí**, và mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào **sự chênh lệch tổng số mol khí** giữa hai vế phương trình (kí hiệu $\Delta n = n_{khí, sản phẩm} - n_{khí, chất phản ứng}$). **Khi tăng áp suất chung của hệ** (bằng cách giảm thể tích bình ở nhiệt độ không đổi), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm **giảm tổng số mol khí** — vì đó là chiều "chống lại" sự tăng áp suất. **Khi giảm áp suất** (tăng thể tích bình), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm **tăng tổng số mol khí**. Nếu $\Delta n \neq 0$ (số mol khí hai vế khác nhau), thay đổi áp suất **có** làm cân bằng chuyển dịch. Nếu $\Delta n = 0$ (số mol khí hai vế bằng nhau), thay đổi áp suất **không** làm cân bằng chuyển dịch, vì không có chiều nào "có lợi hơn" chiều nào về mặt số mol khí — cả hai chiều đều chịu tác động của áp suất như nhau. Đây là một điểm học sinh hay bỏ sót: **áp suất không phải lúc nào cũng làm cân bằng chuyển dịch**. Trường hợp đặc biệt cần lưu ý: nếu hệ có cả chất rắn/lỏng nguyên chất lẫn chất khí, chỉ đếm số mol của chất khí ở mỗi vế (không đếm chất rắn/lỏng), vì áp suất do chất khí gây ra là yếu tố quyết định. Cũng cần phân biệt "áp suất chung của hệ" (do nén thể tích, làm tăng nồng độ mọi chất khí cùng lúc theo cùng tỉ lệ) với việc bơm thêm khí trơ (như khí $N_2$ trơ, không tham gia phản ứng) vào bình ở **thể tích không đổi**: trường hợp sau không làm thay đổi nồng độ mol/lít của bất kì chất nào đang phản ứng, nên **không** làm cân bằng chuyển dịch — dù áp suất *tổng* của bình có tăng lên trên đồng hồ đo.

\Delta n

của ba cân bằng — quyết định cân bằng có bị ảnh hưởng bởi áp suất hay không$\Delta n$ của ba cân bằng — quyết định cân bằng có bị ảnh hưởng bởi áp suất hay không

Ví dụ

Xác định cân bằng có bị ảnh hưởng bởi áp suất hay không

1
Xét ba cân bằng: (a) $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$ ; (b) $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ ; (c) $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ . Khi tăng áp suất chung của hệ (giảm thể tích), cân bằng nào bị ảnh hưởng, cân bằng nào không? Với cân bằng bị ảnh hưởng, xác định chiều chuyển dịch.
Xét ba cân bằng: (a) $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$; (b) $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$; (c) $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$. Khi tăng áp suất chung của hệ (giảm thể tích), cân bằng nào bị ảnh hưởng, cân bằng nào không? Với cân bằng bị ảnh hưởng, xác định chiều chuyển dịch.
2
(a) $\Delta n = 2 - (1+1) = 0$ . (b) $\Delta n = 2 - (1+3) = -2$ . (c) chỉ đếm chất khí: vế trái không có khí ( $CaCO_3$ rắn), vế phải có $CO_2$ khí, nên $\Delta n = 1 - 0 = 1$ .
(a) $\Delta n = 2 - (1+1) = 0$. (b) $\Delta n = 2 - (1+3) = -2$. (c) chỉ đếm chất khí: vế trái không có khí ($CaCO_3$ rắn), vế phải có $CO_2$ khí, nên $\Delta n = 1 - 0 = 1$.
3
(a) $\Delta n = 0$ nên không bị ảnh hưởng bởi áp suất — cân bằng không chuyển dịch. (b) $\Delta n = -2 \neq 0$ , tăng áp suất làm cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — chiều thuận (2 mol $NH_3$ < 4 mol $N_2 + H_2$ ). (c) $\Delta n = 1 \neq 0$ , tăng áp suất làm cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — chiều nghịch (0 mol khí bên $CaCO_3$ rắn < 1 mol khí $CO_2$ ).
(a) $\Delta n = 0$ nên **không bị ảnh hưởng** bởi áp suất — cân bằng không chuyển dịch. (b) $\Delta n = -2 \neq 0$, tăng áp suất làm cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — **chiều thuận** (2 mol $NH_3$ < 4 mol $N_2 + H_2$). (c) $\Delta n = 1 \neq 0$, tăng áp suất làm cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — **chiều nghịch** (0 mol khí bên $CaCO_3$ rắn < 1 mol khí $CO_2$).
4
Kết quả của (c) giải thích đúng hiện tượng đã nêu ở Chương 1: nung $CaCO_3$ trong bình kín (áp suất $CO_2$ tích tụ tăng dần) khiến cân bằng bị "ghìm" lại gần phía $CaCO_3$ hơn — đúng theo chiều giảm số mol khí — nên phản ứng phân huỷ khó tiến triển hơn so với để hở cho $CO_2$ thoát ra liên tục (áp suất $CO_2$ luôn thấp, không cản trở chiều thuận).
Kết quả của (c) giải thích đúng hiện tượng đã nêu ở Chương 1: nung $CaCO_3$ trong bình kín (áp suất $CO_2$ tích tụ tăng dần) khiến cân bằng bị "ghìm" lại gần phía $CaCO_3$ hơn — đúng theo chiều giảm số mol khí — nên phản ứng phân huỷ khó tiến triển hơn so với để hở cho $CO_2$ thoát ra liên tục (áp suất $CO_2$ luôn thấp, không cản trở chiều thuận).

Ví dụ

Vận dụng: đánh giá tác động của thể tích bình lên hiệu suất tổng hợp NH3

1
Trong công nghiệp tổng hợp $NH_3$ theo phản ứng $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ , người ta vận hành ở áp suất rất cao (150–300 bar) thay vì áp suất khí quyển thông thường. Giải thích lựa chọn này dựa trên nguyên lí chuyển dịch cân bằng.
Trong công nghiệp tổng hợp $NH_3$ theo phản ứng $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$, người ta vận hành ở áp suất rất cao (150–300 bar) thay vì áp suất khí quyển thông thường. Giải thích lựa chọn này dựa trên nguyên lí chuyển dịch cân bằng.
2
$\Delta n = 2 - (1+3) = -2 < 0$ : số mol khí sản phẩm ít hơn số mol khí chất phản ứng.
$\Delta n = 2 - (1+3) = -2 < 0$: số mol khí sản phẩm ít hơn số mol khí chất phản ứng.
3
Vì $\Delta n < 0$ , tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều giảm số mol khí) — làm tăng hiệu suất chuyển hoá $N_2$ , $H_2$ thành $NH_3$ tại cùng một nhiệt độ.
Vì $\Delta n < 0$, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều giảm số mol khí) — làm tăng hiệu suất chuyển hoá $N_2$, $H_2$ thành $NH_3$ tại cùng một nhiệt độ.
4
Vậy áp suất cao có lợi cho hiệu suất cân bằng của phản ứng tổng hợp $NH_3$ — đây là lí do các nhà máy Haber vận hành ở áp suất rất cao, dù chi phí thiết bị chịu áp lực lớn hơn nhiều so với vận hành ở áp suất khí quyển.
Vậy áp suất cao có lợi cho hiệu suất cân bằng của phản ứng tổng hợp $NH_3$ — đây là lí do các nhà máy Haber vận hành ở áp suất rất cao, dù chi phí thiết bị chịu áp lực lớn hơn nhiều so với vận hành ở áp suất khí quyển.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: áp dụng quy tắc áp suất cho cả những cân bằng có $\Delta n = 0$ , hoặc quên loại chất rắn/lỏng nguyên chất khi đếm số mol khí. Một sai lầm khác: nhầm "tăng áp suất" với "tăng nồng độ một chất cụ thể" — tăng áp suất chung (bằng cách nén thể tích) làm tăng nồng độ MỌI chất khí trong hệ cùng lúc theo cùng tỉ lệ, khác hẳn việc chỉ bơm thêm một chất riêng lẻ đã học ở bài trước.

Sai lầm thường gặp: áp dụng quy tắc áp suất cho cả những cân bằng có $\Delta n = 0$, hoặc quên loại chất rắn/lỏng nguyên chất khi đếm số mol khí. Một sai lầm khác: nhầm "tăng áp suất" với "tăng nồng độ một chất cụ thể" — tăng áp suất chung (bằng cách nén thể tích) làm tăng nồng độ MỌI chất khí trong hệ cùng lúc theo cùng tỉ lệ, khác hẳn việc chỉ bơm thêm một chất riêng lẻ đã học ở bài trước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Áp suất chỉ ảnh hưởng cân bằng khi $\Delta n$ (chênh lệch mol khí sản phẩm − chất phản ứng) khác 0. Tăng áp suất → cân bằng dịch theo chiều giảm mol khí; giảm áp suất → dịch theo chiều tăng mol khí. Khi $\Delta n = 0$ , áp suất không làm cân bằng chuyển dịch.

Áp suất chỉ ảnh hưởng cân bằng khi $\Delta n$ (chênh lệch mol khí sản phẩm − chất phản ứng) khác 0. Tăng áp suất → cân bằng dịch theo chiều giảm mol khí; giảm áp suất → dịch theo chiều tăng mol khí. Khi $\Delta n = 0$, áp suất không làm cân bằng chuyển dịch.

Bài cuối chương này khép lại bộ ba yếu tố nồng độ — áp suất — nhiệt độ với nhiệt độ, yếu tố duy nhất thật sự làm thay đổi giá trị $K_C$ , và giới thiệu vai trò của chất xúc tác trong việc đưa lí thuyết cân bằng vào ứng dụng công nghiệp thực tế.

Bài cuối chương này khép lại bộ ba yếu tố nồng độ — áp suất — nhiệt độ với **nhiệt độ**, yếu tố duy nhất thật sự làm thay đổi giá trị $K_C$, và giới thiệu vai trò của **chất xúc tác** trong việc đưa lí thuyết cân bằng vào ứng dụng công nghiệp thực tế.