Bài học

Trạng thái cân bằng hoá học — cân bằng động

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được trạng thái cân bằng hoá học là một cân bằng động (tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, phản ứng không dừng lại), mô tả được sự biến đổi tốc độ và nồng độ các chất theo thời gian cho tới khi đạt cân bằng, và phân biệt được "nồng độ không đổi" với "phản ứng đã dừng".

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho biết phản ứng thuận nghịch có phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra đồng thời, nên chất phản ứng và sản phẩm cùng tồn tại tại mọi thời điểm. Bài này đi sâu hơn: khi phản ứng thuận nghịch diễn ra đủ lâu, hệ tiến tới trạng thái nào, và trạng thái đó có đặc điểm gì về mặt tốc độ phản ứng — kiến thức tốc độ phản ứng em đã học ở lớp 10 sẽ được dùng lại ở đây.

Khởi động

Trong đời sống, từ "cân bằng" thường gợi ý một trạng thái tĩnh, đứng yên — như một chiếc cân hai đĩa nằm ngang không nhúc nhích. Vậy khi hoá học nói "hệ đạt trạng thái cân bằng", có phải phản ứng đã dừng lại hoàn toàn, giống như chiếc cân đứng yên đó không?

Kiến thức trọng tâm

Khi phản ứng tiến triển, nồng độ $N_2$ và $H_2$ giảm dần khiến $v_t$ giảm dần theo; đồng thời nồng độ $NH_3$ tăng dần khiến $v_n$ tăng dần lên. Hai tốc độ tiến lại gần nhau theo thời gian. Đến một thời điểm nào đó, $v_t = v_n$ — đây chính là trạng thái cân bằng hoá học.

Điều quan trọng cần khắc sâu: tại trạng thái cân bằng, $v_t = v_n \neq 0$ , chứ không phải cả hai tốc độ đều bằng 0. Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp diễn liên tục ở cấp độ phân tử, chỉ là vì tốc độ hai chiều bằng nhau nên số phân tử chất phản ứng mất đi do phản ứng thuận đúng bằng số phân tử được tái tạo do phản ứng nghịch — kết quả là nồng độ mỗi chất (đo được bằng dụng cụ, quan sát được bằng mắt) không đổi theo thời gian, dù bên trong phản ứng chưa từng ngừng. Đây gọi là cân bằng động (dynamic equilibrium) — khác hẳn một trạng thái tĩnh, đứng yên.

Trên đồ thị nồng độ theo thời gian: đường biểu diễn $[N_2]$ và $[H_2]$ đi xuống, đường biểu diễn $[NH_3]$ đi lên, cả ba đường đều trở nên nằm ngang (song song trục thời gian) kể từ thời điểm đạt cân bằng — đường nằm ngang chỉ có nghĩa là nồng độ không đổi, không có nghĩa là phản ứng đã dừng.

Xét lại phản ứng $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ trong một bình kín, bắt đầu chỉ có $N_2$ và $H_2$. Tại thời điểm $t = 0$, chưa có $NH_3$ nào, nên tốc độ phản ứng thuận ($v_t$) đạt giá trị lớn nhất, còn tốc độ phản ứng nghịch ($v_n$) bằng 0 vì chưa có $NH_3$ để phân huỷ ngược lại. Khi phản ứng tiến triển, nồng độ $N_2$ và $H_2$ giảm dần khiến $v_t$ giảm dần theo; đồng thời nồng độ $NH_3$ tăng dần khiến $v_n$ tăng dần lên. Hai tốc độ tiến lại gần nhau theo thời gian. Đến một thời điểm nào đó, $v_t = v_n$ — đây chính là **trạng thái cân bằng hoá học**. Điều quan trọng cần khắc sâu: tại trạng thái cân bằng, $v_t = v_n \neq 0$, chứ **không phải cả hai tốc độ đều bằng 0**. Phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp diễn liên tục ở cấp độ phân tử, chỉ là vì tốc độ hai chiều bằng nhau nên số phân tử chất phản ứng mất đi do phản ứng thuận đúng bằng số phân tử được tái tạo do phản ứng nghịch — kết quả là nồng độ mỗi chất (đo được bằng dụng cụ, quan sát được bằng mắt) không đổi theo thời gian, dù bên trong phản ứng chưa từng ngừng. Đây gọi là **cân bằng động** (dynamic equilibrium) — khác hẳn một trạng thái tĩnh, đứng yên. Trên đồ thị nồng độ theo thời gian: đường biểu diễn $[N_2]$ và $[H_2]$ đi xuống, đường biểu diễn $[NH_3]$ đi lên, cả ba đường đều trở nên nằm ngang (song song trục thời gian) kể từ thời điểm đạt cân bằng — đường nằm ngang chỉ có nghĩa là *nồng độ không đổi*, không có nghĩa là *phản ứng đã dừng*.

Ví dụ

Mô tả tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch theo thời gian

1
Mô tả sự thay đổi tốc độ phản ứng thuận ( $v_t$ ) và tốc độ phản ứng nghịch ( $v_n$ ) theo thời gian, kể từ khi trộn $N_2$ và $H_2$ vào bình kín cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng.
Mô tả sự thay đổi tốc độ phản ứng thuận ($v_t$) và tốc độ phản ứng nghịch ($v_n$) theo thời gian, kể từ khi trộn $N_2$ và $H_2$ vào bình kín cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng.
2
Ta có $[NH_3] = 0$ nên $v_n = 0$ ; đồng thời $[N_2], [H_2]$ đạt giá trị lớn nhất nên $v_t$ đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm này.
Ta có $[NH_3] = 0$ nên $v_n = 0$; đồng thời $[N_2], [H_2]$ đạt giá trị lớn nhất nên $v_t$ đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm này.
3
Theo thời gian, $[N_2]$ và $[H_2]$ giảm dần nên $v_t$ giảm dần; đồng thời $[NH_3]$ tăng dần nên $v_n$ tăng dần. Suy ra $v_t$ và $v_n$ tiến lại gần nhau.
Theo thời gian, $[N_2]$ và $[H_2]$ giảm dần nên $v_t$ giảm dần; đồng thời $[NH_3]$ tăng dần nên $v_n$ tăng dần. Suy ra $v_t$ và $v_n$ tiến lại gần nhau.
4
Đến một thời điểm, $v_t = v_n$ . Do đó nồng độ các chất không còn thay đổi theo thời gian nữa. Vậy hệ đã đạt trạng thái cân bằng hoá học — là một cân bằng động, vì cả hai phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra liên tục với tốc độ bằng nhau, chứ không phải phản ứng đã dừng lại.
Đến một thời điểm, $v_t = v_n$. Do đó nồng độ các chất không còn thay đổi theo thời gian nữa. Vậy hệ đã đạt trạng thái cân bằng hoá học — là một cân bằng động, vì cả hai phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra liên tục với tốc độ bằng nhau, chứ không phải phản ứng đã dừng lại.

Ví dụ

Đọc đồ thị nồng độ theo thời gian của một phản ứng thuận nghịch

1
Đồ thị nồng độ theo thời gian của phản ứng $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$ cho thấy: nồng độ $A$ và $B$ giảm dần rồi trở thành đường nằm ngang kể từ thời điểm $t_1$ ; nồng độ $C$ tăng dần rồi cũng trở thành đường nằm ngang kể từ thời điểm $t_1$ . Hỏi: (a) hệ đạt trạng thái cân bằng từ thời điểm nào? (b) Có đúng là từ thời điểm $t_1$ , phản ứng đã dừng lại hoàn toàn không? Giải thích rõ.
Đồ thị nồng độ theo thời gian của phản ứng $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$ cho thấy: nồng độ $A$ và $B$ giảm dần rồi trở thành đường nằm ngang kể từ thời điểm $t_1$; nồng độ $C$ tăng dần rồi cũng trở thành đường nằm ngang kể từ thời điểm $t_1$. Hỏi: (a) hệ đạt trạng thái cân bằng từ thời điểm nào? (b) Có đúng là từ thời điểm $t_1$, phản ứng đã dừng lại hoàn toàn không? Giải thích rõ.
2
Đường nồng độ nằm ngang (không đổi theo thời gian) là dấu hiệu của trạng thái cân bằng. Suy ra hệ đạt trạng thái cân bằng kể từ thời điểm $t_1$ .
Đường nồng độ nằm ngang (không đổi theo thời gian) là dấu hiệu của trạng thái cân bằng. Suy ra hệ đạt trạng thái cân bằng kể từ thời điểm $t_1$.
3
Nhận định "phản ứng đã dừng lại hoàn toàn" là SAI. Từ $t_1$ trở đi, phản ứng thuận ( $A + B \to C$ ) và phản ứng nghịch ( $C \to A + B$ ) vẫn tiếp diễn liên tục, chỉ là tốc độ hai chiều bằng nhau nên lượng chất mất đi do chiều này đúng bằng lượng chất sinh ra do chiều kia.
Nhận định "phản ứng đã dừng lại hoàn toàn" là SAI. Từ $t_1$ trở đi, phản ứng thuận ($A + B \to C$) và phản ứng nghịch ($C \to A + B$) vẫn tiếp diễn liên tục, chỉ là tốc độ hai chiều bằng nhau nên lượng chất mất đi do chiều này đúng bằng lượng chất sinh ra do chiều kia.
4
Vậy nồng độ không đổi từ $t_1$ chỉ phản ánh cân bằng động: hệ ở trạng thái cân bằng hoá học, không phải trạng thái phản ứng đã ngừng hẳn.
Vậy nồng độ không đổi từ $t_1$ chỉ phản ánh **cân bằng động**: hệ ở trạng thái cân bằng hoá học, không phải trạng thái phản ứng đã ngừng hẳn.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất: thấy đồ thị nồng độ nằm ngang, học sinh kết luận "phản ứng đã dừng". Đường nằm ngang chỉ nói lên nồng độ không đổi ở cấp độ quan sát được — phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn diễn ra không ngừng ở cấp độ phân tử. Đây chính là ý nghĩa của từ "động" trong "cân bằng động".

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Trạng thái cân bằng hoá học là cân bằng động: tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch ( $v_t = v_n \neq 0$ ), khiến nồng độ mỗi chất không đổi theo thời gian dù cả hai phản ứng vẫn tiếp diễn không ngừng ở cấp độ phân tử. Đường nồng độ nằm ngang trên đồ thị chỉ có nghĩa "không đổi", tuyệt đối không có nghĩa "đã dừng".

Trạng thái cân bằng hoá học là **cân bằng động**: tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch ($v_t = v_n \neq 0$), khiến nồng độ mỗi chất không đổi theo thời gian dù cả hai phản ứng vẫn tiếp diễn không ngừng ở cấp độ phân tử. Đường nồng độ nằm ngang trên đồ thị chỉ có nghĩa "không đổi", tuyệt đối không có nghĩa "đã dừng".

Trạng thái cân bằng của mỗi phản ứng có "mức độ nghiêng" về phía sản phẩm khác nhau — có phản ứng khi cân bằng gần như chỉ còn sản phẩm, có phản ứng khi cân bằng vẫn còn rất nhiều chất phản ứng chưa chuyển hoá. Bài tiếp theo giới thiệu đại lượng dùng để đo và so sánh "mức độ nghiêng" đó một cách định lượng: hằng số cân bằng $K_C$ .