Bài học

Ảnh hưởng của nồng độ đến chuyển dịch cân bằng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng được nguyên lí Le Chatelier để dự đoán chiều chuyển dịch cân bằng khi thay đổi nồng độ một chất bất kì trong hệ, và giải thích được vì sao việc liên tục lấy sản phẩm ra khỏi hệ là một cách thực tế để tăng hiệu suất của phản ứng thuận nghịch.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã giới thiệu nguyên lí Le Chatelier ở dạng tổng quát, với ví dụ về áp suất. Bài này áp dụng đúng ba bước đó (xác định tác động — xác định chiều chống lại — kết luận) riêng cho trường hợp thay đổi nồng độ, đồng thời dùng lại kiến thức biểu thức $K_C$ từ Chương 2 để hiểu vì sao chỉ chất có mặt trong biểu thức $K_C$ mới ảnh hưởng tới sự chuyển dịch khi thay đổi nồng độ của nó.

Bài trước đã giới thiệu nguyên lí Le Chatelier ở dạng tổng quát, với ví dụ về áp suất. Bài này áp dụng đúng ba bước đó (xác định tác động — xác định chiều chống lại — kết luận) riêng cho trường hợp thay đổi **nồng độ**, đồng thời dùng lại kiến thức biểu thức $K_C$ từ Chương 2 để hiểu vì sao chỉ chất có mặt trong biểu thức $K_C$ mới ảnh hưởng tới sự chuyển dịch khi thay đổi nồng độ của nó.

Khởi động

Trong sản xuất acid sulfuric, phản ứng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ không bao giờ chuyển hoá hết $SO_2$ thành $SO_3$ nếu để tự nhiên đạt cân bằng rồi dừng lại. Nhưng nhà máy vẫn đạt hiệu suất chuyển hoá rất cao trong thực tế. Bí quyết nằm ở đâu, nếu bản chất phản ứng vẫn luôn là thuận nghịch?

Kiến thức trọng tâm

Áp dụng nguyên lí Le Chatelier cho yếu tố nồng độ: khi tăng nồng độ một chất trong hệ đang cân bằng, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt nồng độ chất đó, tức là chiều tiêu thụ chất vừa được thêm vào. Ngược lại, khi giảm nồng độ một chất (lấy bớt ra khỏi hệ), cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ chất đó trở lại, tức là chiều sinh ra thêm chất vừa bị lấy bớt.

Quy tắc này chỉ áp dụng cho những chất có mặt trong biểu thức $K_C$ — tức chất khí hoặc chất tan trong dung dịch. Thêm hoặc bớt một chất rắn nguyên chất (ví dụ thêm mẩu $CaCO_3(s)$ rắn vào cân bằng $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ ) không làm cân bằng chuyển dịch, vì nồng độ chất rắn nguyên chất không đổi và không xuất hiện trong biểu thức $K_C$ .

Một ứng dụng quan trọng của quy tắc nồng độ trong công nghiệp là liên tục lấy sản phẩm ra khỏi hệ phản ứng đang diễn ra. Với phản ứng tổng hợp $SO_3$ trong sản xuất acid sulfuric $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ , nếu để nguyên trong bình kín, phản ứng sẽ dừng lại khi đạt trạng thái cân bằng ứng với $K_C$ ở nhiệt độ đó — một phần $SO_2$ và $O_2$ mãi mãi không chuyển hoá. Nhưng trong dây chuyền sản xuất thực tế, khí $SO_3$ sinh ra liên tục được hấp thụ (tách khỏi hỗn hợp khí phản ứng) ngay khi vừa tạo thành. Việc liên tục giảm nồng độ $SO_3$ như vậy khiến cân bằng liên tục bị "đẩy" chuyển dịch theo chiều thuận để bù lại — kết quả là hiệu suất chuyển hoá tổng thể của $SO_2$ thành $SO_3$ cao hơn hẳn so với việc chỉ để hệ đạt cân bằng một lần rồi dừng. Nguyên tắc "tách sản phẩm liên tục để kéo cân bằng về phía thuận" là một kĩ thuật phổ biến trong hoá học công nghiệp, áp dụng cho nhiều phản ứng thuận nghịch khác nhau, kể cả phản ứng ester hoá mà em sẽ gặp lại ở phần hoá hữu cơ.

Ngược chiều với cách làm trên, nếu muốn hạn chế bớt một phản ứng thuận nghịch không mong muốn xảy ra (ví dụ hạn chế một phản ứng phụ sinh tạp chất trong một quy trình), người ta có thể làm điều ngược lại: giữ nguyên hoặc tăng nồng độ sản phẩm phụ đó trong hệ, khiến cân bằng bị "ghìm" lại gần trạng thái ban đầu hơn, không tiến xa về phía tạo thêm tạp chất. Cùng một nguyên lí Le Chatelier, nhưng áp dụng theo hai hướng ngược nhau tuỳ mục đích công nghệ.

Áp dụng nguyên lí Le Chatelier cho yếu tố nồng độ: khi **tăng nồng độ** một chất trong hệ đang cân bằng, cân bằng chuyển dịch theo chiều **làm giảm bớt** nồng độ chất đó, tức là chiều tiêu thụ chất vừa được thêm vào. Ngược lại, khi **giảm nồng độ** một chất (lấy bớt ra khỏi hệ), cân bằng chuyển dịch theo chiều **làm tăng** nồng độ chất đó trở lại, tức là chiều sinh ra thêm chất vừa bị lấy bớt. Quy tắc này chỉ áp dụng cho những chất **có mặt trong biểu thức $K_C$** — tức chất khí hoặc chất tan trong dung dịch. Thêm hoặc bớt một chất rắn nguyên chất (ví dụ thêm mẩu $CaCO_3(s)$ rắn vào cân bằng $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$) không làm cân bằng chuyển dịch, vì nồng độ chất rắn nguyên chất không đổi và không xuất hiện trong biểu thức $K_C$. Một ứng dụng quan trọng của quy tắc nồng độ trong công nghiệp là **liên tục lấy sản phẩm ra khỏi hệ phản ứng đang diễn ra**. Với phản ứng tổng hợp $SO_3$ trong sản xuất acid sulfuric $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$, nếu để nguyên trong bình kín, phản ứng sẽ dừng lại khi đạt trạng thái cân bằng ứng với $K_C$ ở nhiệt độ đó — một phần $SO_2$ và $O_2$ mãi mãi không chuyển hoá. Nhưng trong dây chuyền sản xuất thực tế, khí $SO_3$ sinh ra liên tục được hấp thụ (tách khỏi hỗn hợp khí phản ứng) ngay khi vừa tạo thành. Việc liên tục giảm nồng độ $SO_3$ như vậy khiến cân bằng liên tục bị "đẩy" chuyển dịch theo chiều thuận để bù lại — kết quả là hiệu suất chuyển hoá tổng thể của $SO_2$ thành $SO_3$ cao hơn hẳn so với việc chỉ để hệ đạt cân bằng một lần rồi dừng. Nguyên tắc "tách sản phẩm liên tục để kéo cân bằng về phía thuận" là một kĩ thuật phổ biến trong hoá học công nghiệp, áp dụng cho nhiều phản ứng thuận nghịch khác nhau, kể cả phản ứng ester hoá mà em sẽ gặp lại ở phần hoá hữu cơ. Ngược chiều với cách làm trên, nếu muốn hạn chế bớt một phản ứng thuận nghịch không mong muốn xảy ra (ví dụ hạn chế một phản ứng phụ sinh tạp chất trong một quy trình), người ta có thể làm điều ngược lại: giữ nguyên hoặc tăng nồng độ sản phẩm phụ đó trong hệ, khiến cân bằng bị "ghìm" lại gần trạng thái ban đầu hơn, không tiến xa về phía tạo thêm tạp chất. Cùng một nguyên lí Le Chatelier, nhưng áp dụng theo hai hướng ngược nhau tuỳ mục đích công nghệ.

Ví dụ

Dự đoán chiều chuyển dịch khi thay đổi nồng độ chất phản ứng

1
Cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ đang ổn định trong bình kín thể tích không đổi. Nếu bơm thêm khí $O_2$ vào bình, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Nồng độ $SO_3$ tại cân bằng mới so với cân bằng cũ thay đổi ra sao?
Cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ đang ổn định trong bình kín thể tích không đổi. Nếu bơm thêm khí $O_2$ vào bình, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào? Nồng độ $SO_3$ tại cân bằng mới so với cân bằng cũ thay đổi ra sao?
2
Bơm thêm $O_2$ làm tăng nồng độ $O_2$ — một chất phản ứng — so với trạng thái cân bằng cũ.
Bơm thêm $O_2$ làm tăng nồng độ $O_2$ — một chất phản ứng — so với trạng thái cân bằng cũ.
3
Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt lượng $O_2$ vừa thêm vào, tức chiều thuận: $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ .
Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt lượng $O_2$ vừa thêm vào, tức chiều thuận: $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$.
4
Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Vì chiều thuận sinh thêm $SO_3$ , nồng độ $SO_3$ tại cân bằng mới cao hơn so với cân bằng cũ.
Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Vì chiều thuận sinh thêm $SO_3$, nồng độ $SO_3$ tại cân bằng mới cao hơn so với cân bằng cũ.

Ví dụ

Giải thích hiệu suất cao trong sản xuất công nghiệp bằng cách tách sản phẩm liên tục

1
Trong công nghiệp sản xuất acid sulfuric, khí $SO_3$ sinh ra từ phản ứng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ được hấp thụ ngay lập tức vào một dung dịch, tách khỏi hỗn hợp khí phản ứng. Giải thích vì sao cách làm này giúp hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ cao hơn so với để phản ứng tự đạt cân bằng trong bình kín rồi dừng lại.
Trong công nghiệp sản xuất acid sulfuric, khí $SO_3$ sinh ra từ phản ứng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ được hấp thụ ngay lập tức vào một dung dịch, tách khỏi hỗn hợp khí phản ứng. Giải thích vì sao cách làm này giúp hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ cao hơn so với để phản ứng tự đạt cân bằng trong bình kín rồi dừng lại.
2
Việc hấp thụ $SO_3$ ngay khi sinh ra tương đương với liên tục giảm nồng độ sản phẩm trong hệ phản ứng.
Việc hấp thụ $SO_3$ ngay khi sinh ra tương đương với liên tục **giảm nồng độ sản phẩm** trong hệ phản ứng.
3
Theo nguyên lí Le Chatelier, giảm nồng độ $SO_3$ khiến cân bằng liên tục chuyển dịch theo chiều thuận để bù lại lượng $SO_3$ vừa mất — tức tiêu thụ thêm $SO_2$ và $O_2$ .
Theo nguyên lí Le Chatelier, giảm nồng độ $SO_3$ khiến cân bằng liên tục chuyển dịch theo chiều thuận để bù lại lượng $SO_3$ vừa mất — tức tiêu thụ thêm $SO_2$ và $O_2$.
4
Vì $SO_3$ liên tục bị tách ra ngay khi tạo thành, hệ không bao giờ thật sự "dừng" ở một trạng thái cân bằng cố định — nó liên tục bị đẩy chuyển dịch theo chiều thuận. Kết quả là tổng lượng $SO_2$ chuyển hoá thành $SO_3$ cao hơn hẳn so với việc chỉ để hệ đạt cân bằng một lần trong bình kín rồi dừng lại.
Vì $SO_3$ liên tục bị tách ra ngay khi tạo thành, hệ không bao giờ thật sự "dừng" ở một trạng thái cân bằng cố định — nó liên tục bị đẩy chuyển dịch theo chiều thuận. Kết quả là tổng lượng $SO_2$ chuyển hoá thành $SO_3$ cao hơn hẳn so với việc chỉ để hệ đạt cân bằng một lần trong bình kín rồi dừng lại.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: cho rằng thêm bất kì chất nào vào bình phản ứng cũng làm cân bằng chuyển dịch. Nếu chất thêm vào là chất rắn nguyên chất (không tan, không phải chất khí) đang đã có mặt trong hệ dị thể, nồng độ hiệu dụng của nó không đổi — cân bằng KHÔNG chuyển dịch. Luôn kiểm tra chất thay đổi có mặt trong biểu thức $K_C$ hay không trước khi áp dụng nguyên lí Le Chatelier.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tăng nồng độ một chất (có mặt trong $K_C$ ) → cân bằng dịch theo chiều tiêu thụ bớt chất đó. Giảm nồng độ → cân bằng dịch theo chiều sinh thêm chất đó. Chất rắn/lỏng nguyên chất không ảnh hưởng. Ứng dụng công nghiệp quan trọng: liên tục tách sản phẩm ra khỏi hệ để kéo cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tăng hiệu suất chuyển hoá thực tế.

Tăng nồng độ một chất (có mặt trong $K_C$) → cân bằng dịch theo chiều tiêu thụ bớt chất đó. Giảm nồng độ → cân bằng dịch theo chiều sinh thêm chất đó. Chất rắn/lỏng nguyên chất không ảnh hưởng. Ứng dụng công nghiệp quan trọng: liên tục tách sản phẩm ra khỏi hệ để kéo cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, tăng hiệu suất chuyển hoá thực tế.

Chương tiếp theo tiếp tục với hai yếu tố còn lại làm chuyển dịch cân bằng — áp suất (áp dụng cho cân bằng có chất khí với số mol hai vế khác nhau) và nhiệt độ (gắn liền với phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt) — cùng vai trò của chất xúc tác trong công nghiệp.