Phản ứng thuận nghịch: Khái niệm, cơ chế ứng dụng, bài tập

Phản ứng thuận nghịch là loại phản ứng hóa học mà ở đó, sản phẩm của phản ứng có thể tái phản ứng để tạo lại chất phản ứng ban đầu. Điều này có nghĩa là phản ứng có thể diễn ra theo cả hai hướng: từ chất phản ứng chuyển thành sản phẩm (phản ứng thuận) và từ sản phẩm chuyển trở lại thành chất phản ứng (phản ứng nghịch). Sự cân bằng giữa hai quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất, và nồng độ chất phản ứng và sản phẩm. Hãy khám phá và tìm hiểu về những kiến thức căn bản về phản ứng thuận nghịch cùng với yeuhoahoc.edu.vn, từ đó áp dụng lý thuyết để giải các bài tập liên quan.

Phản ứng thuận nghịch là gì?

Phản ứng thuận nghịch là một loại phản ứng hóa học trong đó chất phản ứng có thể chuyển hóa thành sản phẩm, và ngược lại, sản phẩm cũng có thể chuyển hóa trở lại thành chất phản ứng. Điều này có nghĩa là phản ứng có thể diễn ra theo cả hai hướng: thuận (từ chất phản ứng sang sản phẩm) và nghịch (từ sản phẩm trở lại thành chất phản ứng). 

Sự cân bằng được thiết lập khi tốc độ của phản ứng thuận bằng với tốc độ của phản ứng nghịch, dẫn đến việc duy trì một tỷ lệ không đổi giữa nồng độ chất phản ứng và sản phẩm trong hệ thống. Phản ứng thuận nghịch đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình hóa học tự nhiên và công nghiệp, từ tổng hợp hóa học đến quá trình sinh hóa trong cơ thể sống.

Phương trình hóa học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều nhau:

aA + bB ⇌ cC + dD

Trong đó:

• a, b, c, d là các hệ số cân bằng.
• A, B, C, D là các chất tham gia và sản phẩm.

Ví dụ:

• Phản ứng
  ${\mathrm{N}}_2\left(\mathrm{g}\right)+3{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{g}\right)\rightleftharpoons 2{\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)$(tổng hợp amoniac)
• Phản ứng
  ${\mathrm{CO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$(phản ứng tạo axit cacbonic)

Tầm quan trọng của phản ứng thuận nghịch

Phản ứng thuận nghịch đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực:

Sản xuất hóa chất:

• Phản ứng Haber-Bosch: Sản xuất amoniac (NH3) từ nitơ (N2) và hydro (H2).
• Phản ứng Ostwald: Sản xuất axit nitric (HNO3) từ amoniac (NH3).
• Phản ứng tiếp xúc: Sản xuất axit sulfuric (H2SO4) từ lưu huỳnh trioxide (SO3).

Điều chế khí:

• Phản ứng phân hủy canxi cacbonat: Điều chế khí CO2.
• Phản ứng điện phân nước: Điều chế khí H2 và O2.

Luyện kim:

• Phản ứng khử oxit kim loại: Luyện kim loại từ quặng.

Sinh học:

• Quá trình hô hấp: Trao đổi khí O2 và CO2 trong cơ thể.
• Quá trình quang hợp: Cố định CO2 và tạo ra glucose.

Y học:

• Phản ứng trung hòa axit – bazơ: Dùng để điều trị bệnh.

Môi trường:

• Phản ứng hòa tan khí CO2: Ảnh hưởng đến sự thay đổi pH của môi trường.

Ngoài ra:

• Phản ứng thuận nghịch giúp duy trì trạng thái cân bằng trong nhiều hệ thống, ví dụ như cân bằng pH trong cơ thể.
• Phản ứng thuận nghịch được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như khoa học vật liệu, khoa học nano, v.v.

Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch:

Cân bằng hóa học:

• Khi phản ứng thuận nghịch xảy ra một thời gian, sẽ đến lúc nồng độ của các chất tham gia và sản phẩm không thay đổi nữa. Lúc này, phản ứng đạt trạng thái cân bằng hóa học.
• Dấu hiệu: Nồng độ mol/l của các chất không thay đổi theo thời gian.

Cân bằng động:

• Ở trạng thái cân bằng, các phản ứng thuận và nghịch xảy ra liên tục với tốc độ bằng nhau.
• Hình ảnh: Giống như một “trận chiến” cân sức, với số lượng “chiến binh” (phân tử) chuyển từ phe này sang phe kia bằng nhau mỗi giây.

Vị trí cân bằng:

• Vị trí cân bằng của phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
  • Nhiệt độ:

Tăng nhiệt độ: Chuyển dịch theo chiều thu nhiệt.

Giảm nhiệt độ: Chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt.

• Áp suất:

Tăng áp suất (phản ứng có khí): Chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí.

Giảm áp suất (phản ứng có khí): Chuyển dịch theo chiều tăng số mol khí.

• Nồng độ ban đầu:

Tăng nồng độ chất tham gia: Chuyển dịch theo chiều thuận.

Tăng nồng độ sản phẩm: Chuyển dịch theo chiều nghịch.

• Ví dụ: Phản ứng phân hủy canxi cacbonat

${\mathrm{CaCO}}_3\left(\mathrm{r}\right) \rightleftharpoons \mathrm{CaO}\left(\mathrm{r}\right) + {\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)$

• Tăng nhiệt độ: Cân bằng chuyển dịch sang chiều tạo ra CO2, nghĩa là phân hủy CaCO3 nhiều hơn.
• Tăng áp suất: Cân bằng chuyển dịch sang chiều giảm số mol khí, nghĩa là tổng hợp CaCO3 nhiều hơn.

Ngoài ra:

• Hằng số cân bằng

• Định nghĩa: Giá trị tỷ số giữa tích nồng độ các sản phẩm (mũ số nguyên tử) và tích nồng độ các chất tham gia (mũ số nguyên tử) tại trạng thái cân bằng.
• Ý nghĩa:
  • Kc là một hằng số ở một nhiệt độ nhất định.
  • Giá trị Kc lớn cho biết phản ứng có xu hướng chuyển dịch sang chiều tạo sản phẩm.

• Nguyên lí chuyển dịch cân bằng: Khi thay đổi điều kiện (T, P, C), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt sự thay đổi đó.

Cơ chế của phản ứng thuận nghịch

Có hai thuyết chính giải thích cơ chế của phản ứng thuận nghịch:

Thuyết va chạm

Phản ứng xảy ra khi các phân tử của chất tham gia va chạm với nhau với năng lượng đủ lớn.

Năng lượng va chạm cần thiết để phản ứng xảy ra gọi là năng lượng hoạt hóa.

Phản ứng thuận nghịch có hai năng lượng hoạt hóa:

• Năng lượng hoạt hóa cho phản ứng thuận (${\mathrm{Ea}}_1$)
• Năng lượng hoạt hóa cho phản ứng nghịch (${\mathrm{Ea}}_2$)

Hình ảnh: Hai “ngọn đồi” năng lượng, với đỉnh đồi là trạng thái trung gian.

Yếu tố ảnh hưởng:

• Nhiệt độ: Tăng nhiệt độ làm tăng số lượng phân tử có năng lượng cao hơn Ea, dẫn đến tăng tốc độ phản ứng.
• Chất xúc tác: Giảm năng lượng hoạt hóa, giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Thuyết trạng thái chuyển tiếp

Phản ứng xảy ra qua trạng thái trung gian, là trạng thái không bền, có năng lượng cao hơn năng lượng của các chất tham gia và sản phẩm.

Hình ảnh: Một “hồ nước” năng lượng, với hai “bờ” là trạng thái của chất tham gia và sản phẩm.

Yếu tố ảnh hưởng:

• Cấu trúc của phân tử: Phân tử có cấu trúc phù hợp dễ dàng tạo thành trạng thái trung gian hơn.

Cả hai thuyết đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

Ngoài ra:

• Vai trò của dung môi: Dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bằng cách ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa.
• Ảnh hưởng của nồng độ: Nồng độ cao hơn dẫn đến nhiều va chạm hơn, làm tăng tốc độ phản ứng.

Phản ứng thuận: Trong giai đoạn đầu, chất phản ứng tương tác với nhau, vượt qua một ngưỡng năng lượng nhất định (năng lượng hoạt hóa) để tạo thành sản phẩm. Quá trình này thường liên quan đến việc phá vỡ liên kết hóa học trong chất phản ứng và tạo ra liên kết mới trong sản phẩm.

Phản ứng nghịch: Khi sản phẩm được tạo ra, chúng cũng có khả năng tương tác với nhau hoặc với các chất khác trong hệ thống, vượt qua ngưỡng năng lượng hoạt hóa tương ứng để chuyển hóa trở lại thành chất phản ứng ban đầu. Quá trình này đòi hỏi sự phá vỡ liên kết trong sản phẩm và tái tạo liên kết trong chất phản ứng.

Thiết lập cân bằng: Cân bằng được thiết lập khi tốc độ của phản ứng thuận bằng với tốc độ của phản ứng nghịch, dẫn đến việc duy trì một tỷ lệ ổn định giữa nồng độ chất phản ứng và sản phẩm. Điểm cân bằng này không có nghĩa là phản ứng đã dừng lại, mà là hai quá trình phản ứng đang diễn ra với tốc độ bằng nhau, giữ cho tổng nồng độ chất phản ứng và sản phẩm không đổi.

Ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng thuận nghịch

Nhiệt độ

Tăng nhiệt độ

• Chuyển dịch cân bằng theo chiều thu nhiệt.
• Tăng tốc độ cả phản ứng thuận và nghịch.
• Ví dụ: Phản ứng phân hủy canxi cacbonat:

${\mathrm{CaCO}}_3\left(\mathrm{r}\right) \rightleftharpoons \mathrm{CaO}\left(\mathrm{r}\right) + {\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)$

Giảm nhiệt độ

• Chuyển dịch cân bằng theo chiều tỏa nhiệt.
• Giảm tốc độ cả phản ứng thuận và nghịch.

Áp suất

Đối với phản ứng có khí

• Tăng áp suất: Chuyển dịch cân bằng theo chiều giảm số mol khí.
• Giảm áp suất: Chuyển dịch cân bằng theo chiều tăng số mol khí.
• Ví dụ: Phản ứng tổng hợp amoniac

${\mathrm{N}}_2\left(\mathrm{g}\right) + 3{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{g}\right) \rightleftharpoons 2{\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)$

 

Nồng độ

• Tăng nồng độ chất tham gia: Chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận.
• Tăng nồng độ sản phẩm: Chuyển dịch cân bằng theo chiều nghịch.

Chất xúc tác

• Giảm năng lượng hoạt hóa của cả phản ứng thuận và nghịch.
• Tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và nghịch.
• Không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Dung môi

• Ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa của cả phản ứng thuận và nghịch.
• Ảnh hưởng đến tốc độ của cả phản ứng thuận và nghịch.
• Có thể ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: Khi thay đổi điều kiện (T, P, C), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt sự thay đổi đó.

Ví dụ:

• Tăng nhiệt độ: Cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thu nhiệt.
• Tăng áp suất (phản ứng có khí): Cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí.

Ứng dụng của phản ứng thuận nghịch

Phản ứng thuận nghịch được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

Sản xuất hóa chất

• Phản ứng Haber-Bosch: Sản xuất amoniac (NH3) từ nitơ (N2) và hydro (H2).
• Phản ứng Ostwald: Sản xuất axit nitric (HNO3) từ amoniac (NH3).
• Phản ứng tiếp xúc: Sản xuất axit sulfuric (H2SO4) từ lưu huỳnh trioxide (SO3).

Điều chế khí

• Phản ứng phân hủy canxi cacbonat: Điều chế khí CO2.
• Phản ứng điện phân nước: Điều chế khí H2 và O2.

Luyện kim

• Phản ứng khử oxit kim loại: Luyện kim loại từ quặng.

Sinh học

• Quá trình hô hấp: Trao đổi khí O2 và CO2 trong cơ thể.
• Quá trình quang hợp: Cố định CO2 và tạo ra glucose.

Y học

• Phản ứng trung hòa axit – bazơ: Dùng để điều trị bệnh.

Môi trường

• Phản ứng hòa tan khí CO2: Ảnh hưởng đến sự thay đổi pH của môi trường.

Ngoài ra:

• Phản ứng thuận nghịch giúp duy trì trạng thái cân bằng trong nhiều hệ thống, ví dụ như cân bằng pH trong cơ thể.
• Phản ứng thuận nghịch được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như khoa học vật liệu, khoa học nano, v.v.

Ví dụ cụ thể:

• Sản xuất amoniac: Phản ứng Haber-Bosch là một phản ứng thuận nghịch được sử dụng để sản xuất amoniac (NH3) từ nitơ (N2) và hydro (H2).

${\mathrm{N}}_2\left(\mathrm{g}\right) + 3{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{g}\right) \rightleftharpoons 2{\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)$

• Điều chế khí CO2: Phản ứng phân hủy canxi cacbonat là một phản ứng thuận nghịch được sử dụng để điều chế khí CO2.

${\mathrm{CaCO}}_3\left(\mathrm{r}\right) \rightleftharpoons \mathrm{CaO}\left(\mathrm{r}\right) + {\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)$

• Luyện kim: Phản ứng khử oxit kim loại là một phản ứng thuận nghịch được sử dụng để luyện kim loại từ quặng.

$\mathrm{ZnO}\left(\mathrm{s}\right) + \mathrm{CO}\left(\mathrm{g}\right) \rightleftharpoons \mathrm{Zn}\left(\mathrm{s}\right) + {\mathrm{CO}}_2\left(\mathrm{g}\right)$

Các dạng bài tập của phản ứng thuận nghịch 

Dạng bài tập 1: Tính hằng số cân bằng (Kc) của phản ứng thuận nghịch

Bài tập: Xác định hằng số cân bằng (Kc) của phản ứng thuận nghịch sau:

${\mathrm{N}}_2\left(\mathrm{g}\right) + 3{\mathrm{H}}_2\left(\mathrm{g}\right) \rightleftharpoons 2{\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{g}\right)$

Lời giải:

Bước 1: Viết biểu thức hằng số cân bằng Kc:

Kc = [NH3]^2 / [N2][H2]^3

Bước 2: Xác định nồng độ mol/L của các chất tại trạng thái cân bằng.

– Trường hợp 1: Cho biết nồng độ ban đầu và nồng độ cân bằng của một chất.

Ví dụ: Cho nồng độ ban đầu của N2 là 0,5 mol/L, H2 là 1,0 mol/L, và nồng độ NH3 tại trạng thái cân bằng là 0,3 mol/L.

– Trường hợp 2: Cho biết nồng độ ban đầu của các chất và hiệu suất phản ứng.

Ví dụ: Cho nồng độ ban đầu của N2 là 0,5 mol/L, H2 là 1,0 mol/L, và hiệu suất phản ứng theo N2 là 60%.

Bước 3: Thay số vào biểu thức Kc và tính toán.

– Trường hợp 1:

Kc = [0,3]^2 / [(0,5 – 0,3)][(1,0 – 3 * 0,3)]^3 = 0,568

– Trường hợp 2:

• Nồng độ NH3 tại trạng thái cân bằng:

n(NH3) = n(N2) * hiệu suất = 0,5 * 0,6 = 0,3 mol

• Thay số vào biểu thức Kc và tính toán:

Kc = [0,3]^2 / [(0,5 – 0,3)][(1,0 – 3 * 0,3)]^3 = 0,568

Kết luận: Hằng số cân bằng Kc của phản ứng N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 là 0,568.

Dạng bài tập 2: Định mức nồng độ ban đầu và tính nồng độ cân bằng

Bài tập: Nếu bạn có 1.0 mol N2 và 2.0 mol H2 được đưa vào một lọ có thể tích 2.0 L và cho phản ứng trên diễn ra đến cân bằng, tính nồng độ cân bằng của NH3 và giá trị Kc của phản ứng.

Lời giải:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng và biểu thức hằng số cân bằng Kc:

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

Kc = [NH3]^2 / [N2][H2]^3

Bước 2: Xác định số mol ban đầu của các chất:

• n(N2) = 1.0 mol
• n(H2) = 2.0 mol
• n(NH3) = 0 (ban đầu)

Bước 3: Giả sử x mol NH3 được tạo thành tại trạng thái cân bằng.

• Tính số mol của các chất tại trạng thái cân bằng:
  • n(N2) = 1.0 – x mol
  • n(H2) = 2.0 – 3x mol
  • n(NH3) = x mol
• Tính nồng độ mol/L của các chất tại trạng thái cân bằng:
  • [N2] = (1.0 – x) / 2.0 mol/L
  • [H2] = (2.0 – 3x) / 2.0 mol/L
  • [NH3] = x / 2.0 mol/L

Bước 4: Thay số vào biểu thức Kc và lập phương trình:

Kc = 0.568 = [x]^2 / [(1.0 – x)][(2.0 – 3x)]^3

Bước 5: Giải phương trình và tìm x.

Sử dụng phương pháp giải phương trình bậc ba hoặc phần mềm tính toán để tìm x. Giải phương trình, ta thu được x ≈ 0.476 mol.

Bước 6: Tính nồng độ cân bằng của NH3:

[NH3] = x / 2.0 = 0.476 / 2.0 = 0.238 mol/L

Bước 7: Tính giá trị Kc:

Kc = [NH3]^2 / [N2][H2]^3 = (0.238)^2 / [(1.0 – 0.476)][(2.0 – 3 * 0.476)]^3 = 0.568

Kết luận:

• Nồng độ cân bằng của NH3 là 0.238 mol/L.
• Giá trị Kc của phản ứng là 0.568.

Dạng bài tập 3: Định hằng số cân bằng từ dữ liệu thí nghiệm

Bài tập: Nếu bạn biết rằng ở một nhiệt độ nhất định, phản ứng

2NO2(g) ⇌ N2O4(g)

có hằng số cân bằng Kc = 0.100 M, và bạn bắt đầu với 0.050 M NO2, tính nồng độ cân bằng của NO2 và N2O4.

Lời giải:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng và biểu thức hằng số cân bằng Kc:

2NO2(g) ⇌ N2O4(g)

Kc = [N2O4] / [NO2]^2

Bước 2: Xác định số mol ban đầu của các chất:

• n(NO2) = 0.050 mol
• n(N2O4) = 0 (ban đầu)

Bước 3: Giả sử x mol N2O4 được tạo thành tại trạng thái cân bằng.

• Tính số mol của các chất tại trạng thái cân bằng:
  • n(NO2) = 0.050 – 2x mol
  • n(N2O4) = x mol
• Tính nồng độ mol/L của các chất tại trạng thái cân bằng:
  • [NO2] = (0.050 – 2x) / V mol/L
  • [N2O4] = x / V mol/L

Bước 4: Thay số vào biểu thức Kc và lập phương trình:

Kc = 0.100 = x / [(0.050 – 2x) / V]^2

Bước 5: Giải phương trình và tìm x.

Sử dụng phương pháp giải phương trình bậc hai hoặc phần mềm tính toán để tìm x. Giải phương trình, ta thu được x ≈ 0.024 mol.

Bước 6: Tính nồng độ cân bằng của NO2 và N2O4:

• [NO2] = (0.050 – 2x) / V = 0.026 / V mol/L
• [N2O4] = x / V = 0.024 / V mol/L

Lưu ý:

• Để tính toán nồng độ cân bằng, bạn cần biết thêm giá trị thể tích dung dịch (V).
• Đơn vị của Kc phụ thuộc vào hệ số cân bằng của các chất trong phương trình phản ứng.
• Kc là một đại lượng không đổi ở một nhiệt độ nhất định.

Kết luận:

• Nồng độ cân bằng của NO2 là 0.026 / V mol/L.
• Nồng độ cân bằng của N2O4 là 0.024 / V mol/L.