AP Chemistry

hằng số cân bằng

keq

Còn gọi: hằng số cân bằng (K) · equilibrium constant · K · hằng số K

Hằng số cân bằng là tỉ số giữa nồng độ sản phẩm và chất phản ứng khi hệ thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng ở một nhiệt độ xác định.

Khi một phản ứng thuận nghịch đạt đến trạng thái cân bằng, tốc độ của chiều thuận và chiều nghịch bằng nhau nên nồng độ các chất không còn thay đổi. Để định lượng trạng thái này, hóa học dùng hằng số cân bằng (equilibrium constant), thường được kí hiệu là $K$ . Xét phản ứng tổng quát $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$ , biểu thức của hằng số này được viết là:

$K = \frac{[\text{C}]^c[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a[\text{B}]^b}$

Trong công thức trên, các chữ cái in hoa đại diện cho nồng độ mol trên lít của từng chất tại thời điểm cân bằng, còn các mẫu $a, b, c, d$ chính là hệ số tỉ lượng trong phương trình hóa học. Nhờ đó, chỉ cần biết nồng độ cân bằng của các chất, ta dễ dàng tính được giá trị đặc trưng cho hệ.

Độ lớn của $K$ cho biết phản ứng ưu tiên tạo ra sản phẩm hay giữ lại chất phản ứng. Nếu $K \gg 1$ , tử số lớn hơn nhiều so với mẫu số, nghĩa là hầu hết chất phản ứng đã chuyển hóa thành sản phẩm và cân bằng nghiêng về chiều thuận. Ngược lại, khi $K \ll 1$ , phân số này rất nhỏ, chứng tỏ phản ứng hầu như không tiến xa và cân bằng thiên về phía các chất ban đầu. Vì vậy, nhìn vào giá trị của $K$ , thí sinh có thể đánh giá ngay mức độ hoàn toàn của phản ứng.

Một tính chất quan trọng nữa là $K$ chỉ phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và nhiệt độ, chứ không thay đổi theo nồng độ ban đầu hay áp suất. Khi nồng độ các chất chưa đạt tỉ lệ như biểu thức $K$ , ta tính được thương số phản ứng (reaction quotient) $Q$ để dự đoán chiều dịch chuyển. Do đó, so sánh $Q$ với $K$ cho biết hệ đang ở trạng thái cân bằng hay sẽ tiến về phía nào để đạt trạng thái đó.

Ký hiệu

K

K_c

K_p

Q

Trực giác: Hãy tưởng tượng hai bình nước thông nhau bằng một ống nối; khi nước ngừng chảy, mực nước hai bên đạt một tỉ số cố định — tỉ số này có thể nghiêng hẳn về bình này hay bình kia tuỳ vào hình dạng mỗi bình, và đặc trưng cho trạng thái dừng của hệ ở nhiệt độ đó.

Công thức

K_{eq}=\htmlClass{fp-2}{\frac{\htmlClass{fp-0}{[C]^c[D]^d}}{\htmlClass{fp-1}{[A]^a[B]^b}}}

Dùng để viết biểu thức hằng số cân bằng của một phản ứng thuận nghịch $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ khi đã biết hệ số cân bằng; chất rắn và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức.

Trong đó

K_{eq}

hằng số cân bằng, không thứ nguyên khi hoạt độ được dùng

[C],\,[D]

nồng độ mol trên lít của sản phẩm C và D tại cân bằng — M

[A],\,[B]

nồng độ mol trên lít của chất phản ứng A và B tại cân bằng — M

Hay hiểu sai

Hằng số cân bằng lớn không có nghĩa là phản ứng xảy ra nhanh.

Dấu của $K_{eq}$ không cho biết phản ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt.

Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức $K$ .

$K$ và $Q$ khác nhau ở chỗ hệ đã cân bằng hay chưa.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ở 25°C, ion sắt(III) phản ứng với ion thioxianat tạo phức có màu đỏ máu theo phương trình

\text{Fe}^{3+}(aq) + \text{SCN}^{-}(aq) \rightleftharpoons \text{Fe(SCN)}^{2+}(aq)

, với

K_{eq} = 240

. Một học sinh trộn các dung dịch và sau khi trộn, nồng độ tức thời trong bình đo được là

[\text{Fe}^{3+}] = 0{,}010\ M

[\text{SCN}^{-}] = 0{,}010\ M

và

[\text{Fe(SCN)}^{2+}] = 0{,}012\ M

aTừ giá trị $K_{eq} = 240$ , có thể kết luận được điều gì và không kết luận được điều gì về phản ứng này? Giải thích.
bHỗn hợp trong bình đã ở trạng thái cân bằng chưa? Nếu chưa, phản ứng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?

1Bước 1: Viết biểu thức hằng số cân bằng đúng theo phương trình đã cho. Vì cả ba chất đều tan trong nước nên cả ba đều xuất hiện trong biểu thức:

K_{eq} = \frac{[\text{Fe(SCN)}^{2+}]}{[\text{Fe}^{3+}][\text{SCN}^{-}]} = 240

Biểu thức này nói rằng ở cân bằng, nồng độ sản phẩm chia cho tích nồng độ hai chất phản ứng luôn cho ra con số 240, bất kể ta xuất phát từ lượng chất ban đầu là bao nhiêu.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCân bằng · bài “Hệ số phản ứng Q và hằng số cân bằng K” — khoá AP Chemistry

Cần trướcđịnh luật tác dụng khối lượng (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

thương số phản ứngreaction quotient

Khác nhau ở đâuThương số phản ứng Q tính ở bất kì thời điểm nào, dùng nồng độ hiện tại. Hằng số cân bằng Keq chỉ tính khi hệ đã đạt cân bằng, dùng nồng độ cân bằng.

Hay nhầm khiĐề cho nồng độ ban đầu và hỏi phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận hay nghịch.

hằng số tốc độrate constant

Khác nhau ở đâuHằng số cân bằng Keq cho biết mức độ phản ứng ở trạng thái cân bằng, không phụ thuộc thời gian. Hằng số tốc độ k cho biết phản ứng nhanh hay chậm, phụ thuộc nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa.

Hay nhầm khiĐề hỏi tại sao phản ứng có Keq lớn nhưng vẫn xảy ra rất chậm.

2Ví dụ 2/2

Cho hai acid yếu HX và HY trong dung dịch nước, với

K_a(\text{HX}) = 1{,}8\times10^{-5}

và

K_a(\text{HY}) = 6{,}3\times10^{-8}

. Người ta trộn dung dịch muối của acid yếu HY với dung dịch acid HX, xảy ra phản ứng trao đổi proton

\text{HX}(aq) + \text{Y}^{-}(aq) \rightleftharpoons \text{HY}(aq) + \text{X}^{-}(aq)

aTrong bốn tiểu phân HX, $\text{Y}^{-}$ , HY và $\text{X}^{-}$ , tiểu phân nào là bazơ mạnh nhất?
bTính $K_{eq}$ của phản ứng trao đổi proton trên và cho biết kết quả có phù hợp với câu trả lời ở ý (a) hay không.

1Bước 1 (ý a): So sánh hai hằng số acid trước đã. Vì

1{,}8\times10^{-5} > 6{,}3\times10^{-8}

nên HX là acid mạnh hơn HY, tức HX nhường proton dễ hơn.

2Bước 2 (ý a): Acid càng mạnh thì bazơ liên hợp (conjugate base) của nó càng yếu, và ngược lại. Do HX mạnh hơn HY, bazơ liên hợp

\text{X}^{-}

phải yếu hơn

\text{Y}^{-}

. Hai tiểu phân HX và HY là acid nên không xét, vì vậy bazơ mạnh nhất trong bốn tiểu phân là

\text{Y}^{-}

— chính nó là chất giật proton của HX trong phương trình đã cho.

3Bước 3 (ý b): Phản ứng trao đổi proton là hiệu của hai cân bằng phân li, nên hằng số của nó bằng thương hai hằng số acid:

K_{eq} = \frac{K_a(\text{HX})}{K_a(\text{HY})}

Tử số ứng với acid nhường proton (HX), mẫu số ứng với acid được tạo thành (HY).

4Bước 4 (ý b): Thay số và tính:

K_{eq} = \frac{1{,}8\times10^{-5}}{6{,}3\times10^{-8}} = 0{,}2857\times10^{3} \approx 2{,}9\times10^{2}

Vậy

K_{eq}

khoảng 286, lớn hơn 1 rất nhiều.

5Bước 5: Kết quả hoàn toàn nhất quán với ý (a). Vì

K_{eq} > 1

, cân bằng nằm lệch về phía phải, nghĩa là proton tự chuyển từ HX sang

\text{Y}^{-}

; điều đó chỉ xảy ra khi HX là acid mạnh hơn và

\text{Y}^{-}

là bazơ mạnh hơn. Nói cách khác, phản ứng acid–bazơ luôn ưu tiên chiều tạo ra acid yếu hơn và bazơ yếu hơn.

Bazơ mạnh nhất trong hệ là $\text{Y}^{-}$ , vì nó là bazơ liên hợp của acid yếu hơn (HY). Hằng số cân bằng của phản ứng trao đổi proton bằng $K_a(\text{HX})/K_a(\text{HY}) \approx 2{,}9\times10^{2}$ , và giá trị lớn hơn 1 này xác nhận rằng cân bằng chuyển dịch về phía tạo HY cùng $\text{X}^{-}$ , tức về phía acid và bazơ yếu hơn.