Định luật tác dụng khối lượng Guldberg-Waage (Guldberg-Waage Law of Mass Action)

Nội dung định luật:

Đối với một phản ứng hóa học thuận nghịch tổng quát:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

ở một nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng thuận ($v_t$) tỉ lệ với tích nồng độ của các chất phản ứng, mỗi nồng độ được nâng lên lũy thừa bằng hệ số cân bằng tương ứng của chất đó trong phương trình hóa học. Tương tự, tốc độ phản ứng nghịch ($v_n$) tỉ lệ với tích nồng độ của các chất sản phẩm, mỗi nồng độ được nâng lên lũy thừa bằng hệ số cân bằng tương ứng.

$v_t = k_t[A]^a[B]^b$

$v_n = k_n[C]^c[D]^d$

Trong đó:

• $[A]$, $[B]$, $[C]$, $[D]$ là nồng độ mol/L của các chất A, B, C, D.
• $a$, $b$, $c$, $d$ là các hệ số cân bằng tương ứng trong phương trình phản ứng.
• $k_t$ là hằng số tốc độ phản ứng thuận.
• $k_n$ là hằng số tốc độ phản ứng nghịch.

Hằng số cân bằng

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch ($v_t = v_n$). Lúc này, ta có:

$k_t[A]^a[B]^b = k_n[C]^c[D]^d$

Hay:

$K_c = \frac{k_t}{k_n} = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$

$K_c$ được gọi là hằng số cân bằng của phản ứng. Giá trị của $K_c$ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng, không phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của các chất.

Ý nghĩa của hằng số cân bằng:

• $K_c \gg 1$: Cân bằng dịch chuyển về phía sản phẩm, phản ứng xảy ra gần như hoàn toàn.
• $K_c \ll 1$: Cân bằng dịch chuyển về phía chất phản ứng, phản ứng hầu như không xảy ra.
• $K_c \approx 1$: Cân bằng nằm ở giữa, cả chất phản ứng và sản phẩm đều có mặt với nồng độ đáng kể.

Ứng dụng

Định luật tác dụng khối lượng có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học, bao gồm:

• Dự đoán chiều hướng của phản ứng.
• Tính toán nồng độ của các chất ở trạng thái cân bằng.
• Điều khiển quá trình phản ứng để đạt hiệu suất mong muốn.

Hạn chế

Định luật tác dụng khối lượng chỉ áp dụng chính xác cho các phản ứng diễn ra trong pha khí loãng hoặc dung dịch loãng. Đối với các phản ứng trong pha đặc, hoạt độ của các chất cần được sử dụng thay cho nồng độ. Ngoài ra, định luật này cũng không áp dụng cho các phản ứng phức tạp involving nhiều bước cơ bản. Trong trường hợp này, tốc độ phản ứng tổng thể được xác định bởi bước chậm nhất (bước quyết định tốc độ).

Mối liên hệ giữa $K_c$ và $K_p$

Đối với các phản ứng diễn ra trong pha khí, hằng số cân bằng cũng có thể được biểu diễn theo áp suất riêng phần của các chất khí, ký hiệu là $K_p$. Mối liên hệ giữa $K_c$ và $K_p$ được cho bởi công thức:

$K_p = K_c(RT)^{\Delta n}$

Trong đó:

• $R$ là hằng số khí lý tưởng (0.0821 L.atm/mol.K).
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin).
• $\Delta n$ là sự thay đổi số mol khí trong phản ứng ($\Delta n$ = số mol khí sản phẩm – số mol khí phản ứng).

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số cân bằng

Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ. Mối quan hệ này được mô tả bởi phương trình Van’t Hoff:

$\frac{d \ln{K}}{dT} = \frac{\Delta H}{RT^2}$

Trong đó:

• $\Delta H$ là biến thiên enthalpy của phản ứng.

Nguyên lý Le Chatelier

Nguyên lý Le Chatelier phát biểu rằng nếu một thay đổi điều kiện bên ngoài (như nồng độ, áp suất, nhiệt độ) được áp dụng cho một hệ ở trạng thái cân bằng, hệ sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm thiểu tác động của sự thay đổi đó. Nguyên lý này có thể được sử dụng để dự đoán sự dịch chuyển cân bằng khi thay đổi các yếu tố ảnh hưởng.

Ví dụ

Xét phản ứng tổng hợp amoniac:

$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$

Hằng số cân bằng được viết là:

$K_c = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$

Nếu tăng nồng độ của $N_2$ hoặc $H_2$, cân bằng sẽ dịch chuyển sang phải để tạo ra nhiều $NH_3$ hơn. Ngược lại, nếu tăng nồng độ của $NH_3$, cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái để tạo ra nhiều $N_2$ và $H_2$ hơn. Phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta H < 0$), do đó nếu tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái, làm giảm lượng $NH_3$ tạo thành. Vì $\Delta n = 2 – (1+3) = -2$, nên tăng áp suất sẽ làm cân bằng dịch chuyển sang phải, tạo ra nhiều $NH_3$ hơn.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Levine, I. N. (2009). Physical Chemistry. McGraw-Hill.
• Silbey, R. J., Alberty, R. A., & Bawendi, M. G. (2005). Physical Chemistry. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Định luật tác dụng khối lượng có áp dụng cho các phản ứng dị thể không? Nếu có, cần lưu ý những điểm gì?

Trả lời: Định luật tác dụng khối lượng vẫn áp dụng cho phản ứng dị thể, tức là phản ứng diễn ra giữa các chất ở các pha khác nhau (rắn, lỏng, khí). Tuy nhiên, khi viết biểu thức hằng số cân bằng $K_c$ hoặc $K_p$, ta không bao gồm nồng độ hoặc áp suất riêng phần của chất rắn nguyên chất và chất lỏng nguyên chất, vì chúng được xem là hằng số. Ví dụ, trong phản ứng $CaCO_3(s) \rightleftharpoons CaO(s) + CO_2(g)$, biểu thức $K_p$ chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của $CO_2$: $Kp = P{CO_2}$.

Ngoài nồng độ và áp suất, yếu tố nào khác ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và sự dịch chuyển cân bằng?

Trả lời: Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cả tốc độ phản ứng và vị trí cân bằng. Sự phụ thuộc của hằng số cân bằng vào nhiệt độ được mô tả bởi phương trình Van’t Hoff. Ngoài ra, chất xúc tác cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hóa, nhưng không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Làm thế nào để xác định hằng số tốc độ phản ứng $k$?

Trả lời: Hằng số tốc độ phản ứng $k$ được xác định bằng thực nghiệm. Thông qua việc đo lường tốc độ phản ứng ở các nồng độ khác nhau của chất phản ứng, ta có thể xác định giá trị của $k$. Ngoài ra, $k$ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và có thể được tính toán bằng phương trình Arrhenius: $k = Ae^{-E_a/RT}$, trong đó $A$ là hằng số tần số, $E_a$ là năng lượng hoạt hóa, $R$ là hằng số khí, và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Nếu một phản ứng có $K_c$ rất lớn, liệu ta có thể coi phản ứng là một chiều không?

Trả lời: Mặc dù $K_c$ rất lớn cho thấy phản ứng tạo ra rất nhiều sản phẩm so với chất phản ứng ở trạng thái cân bằng, ta không nên coi phản ứng là một chiều. Phản ứng vẫn là thuận nghịch, nhưng cân bằng dịch chuyển mạnh về phía sản phẩm. Nồng độ chất phản ứng ở trạng thái cân bằng rất nhỏ, nhưng không bằng không.

Tại sao hoạt độ được sử dụng thay cho nồng độ trong một số trường hợp?

Trả lời: Hoạt độ là một đại lượng phản ánh “nồng độ hiệu dụng” của một chất trong dung dịch, đặc biệt là trong dung dịch không lý tưởng (dung dịch đậm đặc hoặc có tương tác mạnh giữa các phân tử). Trong dung dịch loãng, hoạt độ xấp xỉ bằng nồng độ. Tuy nhiên, trong dung dịch đậm đặc, tương tác giữa các phân tử trở nên đáng kể, làm giảm “nồng độ hiệu dụng” của chất tham gia phản ứng. Vì vậy, hoạt độ được sử dụng để điều chỉnh cho những tương tác này và cung cấp một đại diện chính xác hơn về khả năng phản ứng của chất. Định luật tác dụng khối lượng chính xác hơn khi sử dụng hoạt độ thay cho nồng độ trong các trường hợp này.