Trong thực tế, ở cùng điều kiện, nhiều phản ứng không chỉ diễn ra theo một chiều mà đồng thời theo cả hai chiều, chiều thuận và chiều nghịch. Các phản ứng này được gọi là phản ứng thuận nghịch.
Phản ứng thuận nghịch là phản ứng trong đó ở cùng điều kiện, xảy ra đồng thời sự chuyển chất phản ứng thành chất sản phẩm và sự chuyển chất sản phẩm thành chất phản ứng.
Ví dụ: Phản ứng tổng hợp ammonia N2 (g) + 3H2 (g) \(\rightleftharpoons\) 2NH3 (g)
- Chiều thuận: chiều các chất ban đầu tạo thành sản phẩm (chiều từ trái sang phải).
- Chiều nghịch: chiều các chất sản phẩm tạo thành chất ban đầu (chiều từ phải sang trái).
Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái mà tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
- Ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp diễn với tốc độ bằng nhau nhưng nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng không đổi là do lượng mất đi và lượng sinh ra chất đó bằng nhau.
- Cân bằng hóa học là cân bằng động.
Ví dụ: Khi trộn một lượng H2 (chất khí không màu) với một lượng I2 (dạng hơi, màu tím) trong một bình thủy tinh kín và giữ ở nhiệt độ khoảng 400oC, hai chất này phản ứng với nhau để tạo thành HI (chất khí không màu), xảy ra phản ứng sau:
H2 (g) + I2 (g) \(\rightleftharpoons\) 2HI (g)
Hiện tượng quan sát được là màu tím của hỗn hợp trong bình nhạt dần theo thời gian do I2 đã phản ứng với H2 tạo thành HI. Tuy nhiên, đến một thời điểm nào đó, màu tím của hỗn hợp khí không bị nhạt thêm nữa do phản ứng đã đạt đến trạng thái cân bằng, nồng độ các chất trong phản ứng không thay đổi, nên màu sắc của hỗn hợp khí được giữ nguyên.
Với một phản ứng thuận nghịch bất kì, chẳng hạn:
aA + bB \(\rightleftharpoons\) cC + dD
Khi ở trạng thái cân bằng, ta có:
\[K_{C} = \frac{{\lbrack C\rbrack}^{c}{\lbrack D\rbrack}^{d}}{{\lbrack A\rbrack}^{a}{\lbrack B\rbrack}^{b}}\]
Trong đó: [A], [B], [C], [D] lần lượt là nồng độ mol các chất A, B, C, D ở trạng thái cân bằng, chỉ xét những chất ở thể khí hoặc chất tan trong dung dịch.
- Tính nồng độ của chất trong phản ứng từ biểu thức hằng số cân bằng.
- Dựa vào độ lớn của hằng số cân bằng biết được nồng độ chất tham gia thay sản phẩm là chiếm ưu thế ở trạng thái cân bằng, cũng như phản ứng thuân có xảy ra thuận lơi hay không. Một cách gần đúng:
+ Nếu phản ứng thuận nghịch có KC rất lớn so với 1 thì phản ứng thuận diễn ra thuận lợi hơn rất nhiều so với phản ứng nghịch; các chất ở trạng thái cân bằng chủ yếu là sản phẩm.
+ Nếu phản ứng thuận nghịch có KC rất nhỏ so với 1 thì phản ứng thuận diễn ra kém thuận lợi hơn rất nhiều so với phản ứng nghịch; các chất ở trạng thái cân bằng chủ yếu là chất ban đầu.
- Ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục diễn ra với tốc độ bằng nhau nên nồng độ các chất trong cân bằng là không đổi ở một nhiệt độ xác định. Khi thay đổi điều kiện phản ứng (như nhiệt độ, nồng độ, áp suất,...), cân bằng cũ sẽ bị phá vỡ, cân bằng mới được hình thành. Ta gọi đây là sự chuyển dịch cân bằng từ cân bằng cũ sang cân bằng mới.
- Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: “Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu tác động từ bên ngoài như biến đổi nhiệt độ, nồng độ hay áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.”
- Chất xúc tác làm tăng đồng thời tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch như nhau nên không làm chuyển dịch cân bằng.
1. Phản ứng thuận nghịch là phản ứng trong đó ở cùng điều kiện, xảy ra đồng thời sự chuyển chất phản ứng thành chất sản phẩm và sự chuyển chất sản phẩm thành chất phản ứng.
2. Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái mà tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
3. Một phản ứng thuận nghịch bất kì, chẳng hạn aA + bB \(\rightleftharpoons\) cC + dD tại trạng thái cân bằng có biểu thức hằng số cân bằng như sau:
\[K_{C} = \frac{{\lbrack C\rbrack}^{c}{\lbrack D\rbrack}^{d}}{{\lbrack A\rbrack}^{a}{\lbrack B\rbrack}^{b}}\]
Trong đó, A, B, C, D là những chất khí hoặc chất tan trong dung dịch.
4. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu tác động từ bên ngoài như biến đổi nhiệt độ, nồng độ hay áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.
Hoá học 11 (Cánh diều)