Bài học

Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được phản ứng một chiều với phản ứng thuận nghịch, viết đúng phương trình thuận nghịch bằng kí hiệu $\rightleftharpoons$ , và nêu được vì sao một phản ứng thuận nghịch không bao giờ tiến hành đến hết dù để trong bình kín bao lâu.

Sau bài này, em phân biệt được phản ứng một chiều với phản ứng thuận nghịch, viết đúng phương trình thuận nghịch bằng kí hiệu $\rightleftharpoons$, và nêu được vì sao một phản ứng thuận nghịch không bao giờ tiến hành đến hết dù để trong bình kín bao lâu.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 8, lớp 9, hầu hết phản ứng em gặp đều được viết bằng một mũi tên $\rightarrow$ : chất phản ứng biến đổi hoàn toàn thành sản phẩm, phản ứng dừng lại khi hết một trong hai chất — ví dụ $Zn + 2HCl \to ZnCl_2 + H_2$ dừng khi hết Zn hoặc hết HCl. Lớp 11 bổ sung một loại phản ứng khác hẳn: phản ứng không bao giờ đi hết một chiều, dù chất phản ứng còn dư rất nhiều.

Ở lớp 8, lớp 9, hầu hết phản ứng em gặp đều được viết bằng một mũi tên $\rightarrow$: chất phản ứng biến đổi hoàn toàn thành sản phẩm, phản ứng dừng lại khi hết một trong hai chất — ví dụ $Zn + 2HCl \to ZnCl_2 + H_2$ dừng khi hết Zn hoặc hết HCl. Lớp 11 bổ sung một loại phản ứng khác hẳn: phản ứng không bao giờ đi hết một chiều, dù chất phản ứng còn dư rất nhiều.

Khởi động

Đốt cháy hoàn toàn khí methane trong oxygen dư, phản ứng luôn dừng lại khi hết chất, chỉ thu được $CO_2$ và $H_2O$ . Nhưng nếu trộn khí $N_2$ và $H_2$ vào một bình kín rồi đun nóng có xúc tác, dù chờ rất lâu, bình phản ứng vẫn luôn còn cả ba khí $N_2$ , $H_2$ lẫn $NH_3$ . Vì sao phản ứng này không bao giờ đi đến hết?

Đốt cháy hoàn toàn khí methane trong oxygen dư, phản ứng luôn dừng lại khi hết chất, chỉ thu được $CO_2$ và $H_2O$. Nhưng nếu trộn khí $N_2$ và $H_2$ vào một bình kín rồi đun nóng có xúc tác, dù chờ rất lâu, bình phản ứng vẫn luôn còn cả ba khí $N_2$, $H_2$ lẫn $NH_3$. Vì sao phản ứng này không bao giờ đi đến hết?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng một chiều là phản ứng mà sản phẩm sinh ra không tự biến đổi ngược trở lại thành chất ban đầu trong cùng điều kiện phản ứng. Phản ứng dừng hẳn khi một trong các chất phản ứng hết, và chờ thêm bao lâu cũng không có gì thay đổi. Đa số phản ứng có khí thoát ra khỏi hệ hở (ví dụ khí $H_2$ bay khỏi cốc phản ứng $Zn + 2HCl$ ), phản ứng cháy, hay phản ứng kết tủa đều là phản ứng một chiều.

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng mà, trong cùng điều kiện, chất phản ứng tạo thành sản phẩm (phản ứng thuận), đồng thời sản phẩm cũng biến đổi ngược lại thành chất phản ứng (phản ứng nghịch) — cả hai chiều xảy ra cùng lúc, trong cùng bình phản ứng. Phương trình thuận nghịch dùng kí hiệu hai nửa mũi tên ngược chiều $\rightleftharpoons$ thay cho $\rightarrow$ : $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$ $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ Đặc điểm cốt lõi: một phản ứng thuận nghịch không bao giờ tiến hành hoàn toàn về một phía. Dù ban đầu chỉ có $N_2$ và $H_2$ , và dù chờ thời gian dài tuỳ ý, bình phản ứng luôn còn lại cả ba chất — vì ngay khi có $NH_3$ sinh ra, một phần $NH_3$ đó đã bắt đầu phân huỷ ngược lại thành $N_2$ và $H_2$ .

Có một điểm cần lưu ý: tính thuận nghịch không chỉ do bản chất chất phản ứng quyết định, mà còn phụ thuộc điều kiện phản ứng đang xét — nhất là hệ kín hay hệ hở. Phản ứng nung đá vôi $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ là thuận nghịch nếu thực hiện trong bình kín, vì khí $CO_2$ sinh ra không thoát đi đâu được, tích tụ lại và một phần tái kết hợp với $CaO$ để tạo lại $CaCO_3$ . Nhưng nếu nung trong lò hở, khí $CO_2$ thoát liên tục ra ngoài, phản ứng nghịch gần như không có cơ hội xảy ra — khi đó phản ứng được coi gần như một chiều trên thực tế, dù bản chất hoá học của nó vẫn là thuận nghịch.

**Phản ứng một chiều** là phản ứng mà sản phẩm sinh ra không tự biến đổi ngược trở lại thành chất ban đầu trong cùng điều kiện phản ứng. Phản ứng dừng hẳn khi một trong các chất phản ứng hết, và chờ thêm bao lâu cũng không có gì thay đổi. Đa số phản ứng có khí thoát ra khỏi hệ hở (ví dụ khí $H_2$ bay khỏi cốc phản ứng $Zn + 2HCl$), phản ứng cháy, hay phản ứng kết tủa đều là phản ứng một chiều. **Phản ứng thuận nghịch** là phản ứng mà, trong cùng điều kiện, chất phản ứng tạo thành sản phẩm (phản ứng thuận), đồng thời sản phẩm cũng biến đổi ngược lại thành chất phản ứng (phản ứng nghịch) — cả hai chiều xảy ra cùng lúc, trong cùng bình phản ứng. Phương trình thuận nghịch dùng kí hiệu hai nửa mũi tên ngược chiều $\rightleftharpoons$ thay cho $\rightarrow$: $$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$ $$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$ $$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$$ Đặc điểm cốt lõi: một phản ứng thuận nghịch **không bao giờ tiến hành hoàn toàn về một phía**. Dù ban đầu chỉ có $N_2$ và $H_2$, và dù chờ thời gian dài tuỳ ý, bình phản ứng luôn còn lại cả ba chất — vì ngay khi có $NH_3$ sinh ra, một phần $NH_3$ đó đã bắt đầu phân huỷ ngược lại thành $N_2$ và $H_2$. Có một điểm cần lưu ý: tính thuận nghịch không chỉ do bản chất chất phản ứng quyết định, mà còn phụ thuộc **điều kiện phản ứng đang xét** — nhất là hệ kín hay hệ hở. Phản ứng nung đá vôi $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ là thuận nghịch nếu thực hiện trong bình kín, vì khí $CO_2$ sinh ra không thoát đi đâu được, tích tụ lại và một phần tái kết hợp với $CaO$ để tạo lại $CaCO_3$. Nhưng nếu nung trong lò hở, khí $CO_2$ thoát liên tục ra ngoài, phản ứng nghịch gần như không có cơ hội xảy ra — khi đó phản ứng được coi gần như một chiều trên thực tế, dù bản chất hoá học của nó vẫn là thuận nghịch.

Ví dụ

Viết phương trình thuận nghịch cho phản ứng tạo hydrogen iodide

1
Khí hydrogen phản ứng với khí iodine tạo khí hydrogen iodide. Thí nghiệm cho thấy dù đun nóng bình kín rất lâu, hỗn hợp vẫn luôn còn cả ba khí $H_2$ , $I_2$ , $HI$ . Viết phương trình hoá học của phản ứng.
Khí hydrogen phản ứng với khí iodine tạo khí hydrogen iodide. Thí nghiệm cho thấy dù đun nóng bình kín rất lâu, hỗn hợp vẫn luôn còn cả ba khí $H_2$, $I_2$, $HI$. Viết phương trình hoá học của phản ứng.
2
Chất phản ứng: $H_2$ và $I_2$ (đều ở thể khí). Sản phẩm: $HI$ (khí hydrogen iodide). Ta có phương trình chưa xét chiều: $H_2 + I_2 \to 2HI$ .
Chất phản ứng: $H_2$ và $I_2$ (đều ở thể khí). Sản phẩm: $HI$ (khí hydrogen iodide). Ta có phương trình chưa xét chiều: $H_2 + I_2 \to 2HI$.
3
Đề bài cho biết dù đun nóng lâu, hệ vẫn luôn còn cả ba chất — đây chính là đặc điểm của phản ứng thuận nghịch: chất phản ứng không bao giờ mất hết, vì phản ứng nghịch (HI phân huỷ ngược lại) luôn xảy ra song song với phản ứng thuận.
4
Vậy phương trình được viết với kí hiệu thuận nghịch: $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$
Vậy phương trình được viết với kí hiệu thuận nghịch: $$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

Ví dụ

Nhận diện phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch trong bốn quá trình

1
Xét bốn quá trình sau: (a) đốt cháy hoàn toàn than trong khí oxygen dư ở nơi thoáng khí; (b) nung $CaCO_3$ trong một bình kín ở nhiệt độ cao; (c) cho mẩu sắt vào cốc hở chứa dung dịch $HCl$ dư; (d) sục khí $SO_2$ vào nước tạo dung dịch acid sulfurous. Quá trình nào là một chiều, quá trình nào là thuận nghịch? Giải thích.
Xét bốn quá trình sau: (a) đốt cháy hoàn toàn than trong khí oxygen dư ở nơi thoáng khí; (b) nung $CaCO_3$ trong một bình kín ở nhiệt độ cao; (c) cho mẩu sắt vào cốc hở chứa dung dịch $HCl$ dư; (d) sục khí $SO_2$ vào nước tạo dung dịch acid sulfurous. Quá trình nào là một chiều, quá trình nào là thuận nghịch? Giải thích.
2
(a) Than cháy trong oxygen dư sinh $CO_2$ thoát ra ngoài không khí; $CO_2$ không tự tái hợp với than để tạo lại chất ban đầu ở điều kiện này. (c) Khí $H_2$ sinh ra từ $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$ thoát khỏi cốc hở ngay khi tạo thành, không có cơ hội phản ứng ngược. Cả hai đều là phản ứng một chiều.
(a) Than cháy trong oxygen dư sinh $CO_2$ thoát ra ngoài không khí; $CO_2$ không tự tái hợp với than để tạo lại chất ban đầu ở điều kiện này. (c) Khí $H_2$ sinh ra từ $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$ thoát khỏi cốc hở ngay khi tạo thành, không có cơ hội phản ứng ngược. Cả hai đều là phản ứng **một chiều**.
3
(b) Trong bình kín, khí $CO_2$ sinh ra không thoát được, tích tụ lại và một phần phản ứng ngược với $CaO$ tạo lại $CaCO_3$ : $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ — thuận nghịch. (d) $SO_2$ tan trong nước thiết lập cân bằng với acid sulfurous: $SO_2(g) + H_2O(l) \rightleftharpoons H_2SO_3(aq)$ — thuận nghịch.
(b) Trong bình kín, khí $CO_2$ sinh ra không thoát được, tích tụ lại và một phần phản ứng ngược với $CaO$ tạo lại $CaCO_3$: $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$ — **thuận nghịch**. (d) $SO_2$ tan trong nước thiết lập cân bằng với acid sulfurous: $SO_2(g) + H_2O(l) \rightleftharpoons H_2SO_3(aq)$ — **thuận nghịch**.
4
Vậy (a) và (c) là phản ứng một chiều; (b) và (d) là phản ứng thuận nghịch. Điều đáng chú ý: cùng là phản ứng nung $CaCO_3$ , nếu thực hiện trong bình kín thì thuận nghịch, nhưng nếu nung trong lò hở (như lò vôi công nghiệp) để khí $CO_2$ thoát liên tục thì phản ứng gần như xảy ra một chiều trên thực tế — tính thuận nghịch phụ thuộc cả điều kiện tiến hành, không chỉ vào bản chất chất phản ứng.
Vậy (a) và (c) là phản ứng một chiều; (b) và (d) là phản ứng thuận nghịch. Điều đáng chú ý: cùng là phản ứng nung $CaCO_3$, nếu thực hiện trong bình kín thì thuận nghịch, nhưng nếu nung trong lò hở (như lò vôi công nghiệp) để khí $CO_2$ thoát liên tục thì phản ứng gần như xảy ra một chiều trên thực tế — tính thuận nghịch phụ thuộc cả điều kiện tiến hành, không chỉ vào bản chất chất phản ứng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ hễ phản ứng xảy ra trong bình kín thì chắc chắn là thuận nghịch — điều này SAI. Bản chất chất phản ứng mới quyết định phản ứng có xảy ra được theo chiều ngược hay không; bình kín chỉ là điều kiện thuận lợi để phản ứng nghịch (nếu có) không bị mất chất do thoát ra ngoài. Đốt cháy than trong bình kín có oxygen dư vẫn là phản ứng một chiều, vì $CO_2$ không tự tái hợp lại thành than và oxygen dù không thoát ra đâu được.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phản ứng một chiều ( $\rightarrow$ ) đi hết về sản phẩm và dừng lại. Phản ứng thuận nghịch ( $\rightleftharpoons$ ) có phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra đồng thời trong cùng điều kiện, nên không bao giờ tiến hành hoàn toàn về một phía. Tính thuận nghịch còn phụ thuộc điều kiện — hệ kín giữ lại sản phẩm khí để phản ứng nghịch có cơ hội xảy ra; hệ hở để khí thoát đi làm phản ứng nghịch gần như biến mất trên thực tế.

Phản ứng một chiều ($\rightarrow$) đi hết về sản phẩm và dừng lại. Phản ứng thuận nghịch ($\rightleftharpoons$) có phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra đồng thời trong cùng điều kiện, nên không bao giờ tiến hành hoàn toàn về một phía. Tính thuận nghịch còn phụ thuộc điều kiện — hệ kín giữ lại sản phẩm khí để phản ứng nghịch có cơ hội xảy ra; hệ hở để khí thoát đi làm phản ứng nghịch gần như biến mất trên thực tế.

Bài tiếp theo trả lời câu hỏi: khi phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra đồng thời mãi mãi như vậy, hệ có đạt tới một trạng thái ổn định nào không? Đó chính là trạng thái cân bằng hoá học — trọng tâm của toàn bộ chương này.