Định luật tác khối lượng (Law of Mass Action)

Đối với phản ứng thuận nghịch tổng quát:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

Ở đây:

• A, B là chất phản ứng.
• C, D là chất sản phẩm.
• a, b, c, d là hệ số cân bằng tương ứng.

Tốc độ phản ứng thuận ($v_t$): Tỉ lệ thuận với tích nồng độ của chất phản ứng A và B, mỗi nồng độ được nâng lên lũy thừa bằng hệ số cân bằng tương ứng:

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

Trong đó:

• $k_t$ là hằng số tốc độ phản ứng thuận.
• $[A]$ và $[B]$ là nồng độ của A và B tương ứng.

Tốc độ phản ứng nghịch ($v_n$): Tỉ lệ thuận với tích nồng độ của chất sản phẩm C và D, mỗi nồng độ được nâng lên lũy thừa bằng hệ số cân bằng tương ứng:

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

Trong đó:

• $k_n$ là hằng số tốc độ phản ứng nghịch.
• $[C]$ và $[D]$ là nồng độ của C và D tương ứng.

Trạng thái cân bằng hóa học

Ở trạng thái cân bằng hóa học, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch: $v_t = v_n$

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

Biến đổi phương trình, ta được hằng số cân bằng $K_c$:

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

Ý nghĩa của hằng số cân bằng ($K_c$):

• $K_c$ là một giá trị không đổi ở nhiệt độ không đổi cho một phản ứng cụ thể.
• $K_c$ cho biết mức độ phản ứng diễn ra hoàn toàn hay không.
  • $K_c$ lớn: Phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
  • $K_c$ nhỏ: Phản ứng diễn ra theo chiều nghịch.
  • $K_c$ xấp xỉ 1: Phản ứng đạt cân bằng với lượng sản phẩm và chất phản ứng tương đương nhau.

Lưu ý:

• Định luật tác khối lượng chỉ áp dụng cho các phản ứng cơ bản (elementary reactions), tức là phản ứng diễn ra trong một bước duy nhất. Đối với các phản ứng phức tạp (complex reactions), định luật này chỉ áp dụng cho từng bước cơ bản của phản ứng.
• Nồng độ trong biểu thức hằng số cân bằng thường được biểu diễn dưới dạng mol/L (molarity) hoặc áp suất riêng phần (đối với chất khí).

Định luật tác khối lượng là một công cụ quan trọng để dự đoán chiều hướng của phản ứng và tính toán nồng độ của các chất ở trạng thái cân bằng.

Ứng dụng của Định luật tác khối lượng

Định luật tác khối lượng có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học và các lĩnh vực liên quan, bao gồm:

• Dự đoán chiều hướng phản ứng: Bằng cách so sánh thương số phản ứng (Q) với hằng số cân bằng ($K_c$), ta có thể dự đoán chiều hướng mà phản ứng sẽ diễn ra để đạt trạng thái cân bằng. Nếu Q < $K_c$, phản ứng sẽ diễn ra theo chiều thuận. Nếu Q > $K_c$, phản ứng sẽ diễn ra theo chiều nghịch. Nếu Q = $K_c$, phản ứng đã đạt trạng thái cân bằng.
• Tính toán nồng độ cân bằng: Biết hằng số cân bằng ($K_c$) và nồng độ ban đầu của các chất tham gia phản ứng, ta có thể tính toán nồng độ của các chất ở trạng thái cân bằng.
• Điều khiển phản ứng: Bằng cách thay đổi nồng độ của các chất tham gia phản ứng (ví dụ: tăng nồng độ chất phản ứng hoặc giảm nồng độ sản phẩm), ta có thể điều khiển chiều hướng và tốc độ phản ứng theo mong muốn. Ví dụ, trong công nghiệp, việc tăng áp suất (tương đương tăng nồng độ chất khí) thường được sử dụng để tăng hiệu suất phản ứng tạo ra sản phẩm.
• Hiểu về các hệ thống cân bằng phức tạp: Định luật tác khối lượng là nền tảng để hiểu và phân tích các hệ thống cân bằng phức tạp, chẳng hạn như cân bằng axit-bazơ, cân bằng độ hòa tan và cân bằng phức chất.

Hạn chế của Định luật tác khối lượng

Mặc dù có nhiều ứng dụng quan trọng, Định luật tác khối lượng cũng có một số hạn chế:

• Chỉ áp dụng cho các phản ứng đồng thể: Định luật này chỉ áp dụng chính xác cho các phản ứng đồng thể, tức là các phản ứng diễn ra trong cùng một pha (ví dụ: dung dịch lỏng hoặc pha khí). Đối với phản ứng dị thể (diễn ra ở nhiều pha khác nhau), cần phải sử dụng hoạt độ thay cho nồng độ.
• Không tính đến ảnh hưởng của dung môi: Trong dung dịch, dung môi có thể ảnh hưởng đến hoạt độ của các chất tham gia phản ứng, do đó ảnh hưởng đến hằng số cân bằng. Định luật tác khối lượng ở dạng đơn giản không tính đến ảnh hưởng này.
• Chỉ áp dụng cho các phản ứng cơ bản: Như đã đề cập trước đó, định luật tác khối lượng chỉ áp dụng trực tiếp cho các phản ứng cơ bản. Đối với các phản ứng phức tạp, hằng số cân bằng của phản ứng tổng thể là tích của hằng số cân bằng của các bước cơ bản.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa hằng số tốc độ phản ứng ($k$) và hằng số cân bằng ($K_c$)?

Trả lời: Hằng số tốc độ phản ứng ($k$) liên quan đến tốc độ của phản ứng, trong khi hằng số cân bằng ($K_c$) liên quan đến vị trí của cân bằng. $k$ phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, nhưng không phụ thuộc vào nồng độ của các chất. $K_c$ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng, và được xác định bởi tỷ lệ nồng độ của sản phẩm và chất phản ứng tại cân bằng.

Tại sao hoạt độ được sử dụng thay cho nồng độ trong các hệ dị thể khi áp dụng định luật tác khối lượng?

Trả lời: Trong các hệ dị thể, các chất tham gia phản ứng tồn tại ở các pha khác nhau (ví dụ: rắn, lỏng, khí). Nồng độ chỉ có ý nghĩa đối với các chất tan trong cùng một pha. Hoạt độ, là một đại lượng không có thứ nguyên, phản ánh “nồng độ hiệu dụng” của một chất, tính đến các tương tác giữa các phân tử và các hiệu ứng khác của môi trường, và do đó được sử dụng trong các hệ dị thể để mô tả chính xác hơn xu hướng phản ứng.

Giả sử phản ứng $A + B \rightleftharpoons C$ có $K_c = 10$. Nếu nồng độ ban đầu của A và B đều là 1M, nồng độ của C tại cân bằng là bao nhiêu?

Trả lời: Gọi $[C]$ là nồng độ của C tại cân bằng. Tại cân bằng, $[A] = 1 – [C]$ và $[B] = 1 – [C]$. Ta có $K_c = \frac{[C]}{[A][B]} = \frac{[C]}{(1-[C])(1-[C])} = 10$. Giải phương trình bậc hai này ta được $[C] \approx 0.73$ M.

Nguyên lý Le Chatelier có liên quan như thế nào đến định luật tác khối lượng?

Trả lời: Nguyên lý Le Chatelier phát biểu rằng nếu một hệ cân bằng bị tác động bởi một thay đổi điều kiện bên ngoài (như nồng độ, áp suất, nhiệt độ), hệ sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó. Định luật tác khối lượng cho phép ta tính toán chính xác sự chuyển dịch này bằng cách dự đoán sự thay đổi của $K_c$ hoặc thương số phản ứng (Q) khi điều kiện thay đổi.

Định luật tác khối lượng có áp dụng cho các phản ứng enzyme không? Nếu có, nó được áp dụng như thế nào?

Trả lời: Có, định luật tác khối lượng có thể được áp dụng cho các phản ứng enzyme, đặc biệt là trong việc mô tả sự hình thành phức hợp enzyme-cơ chất (ES). Hằng số cân bằng trong trường hợp này thường được gọi là hằng số phân ly ($K_d$), đại diện cho ái lực của enzyme đối với cơ chất. $K_d$ càng nhỏ, ái lực càng mạnh. Mô hình Michaelis-Menten, được sử dụng rộng rãi trong động học enzyme, được xây dựng dựa trên các nguyên tắc của định luật tác khối lượng.