Đang tải bài học…

AP Chemistry

nguyên lý Le Châtelier

Le Châtelier’s principle

Còn gọi: nguyên lí Le Châtelier · Le Chatelier · nguyên lí Le Chatelier · nguyên lí lơ sa-tơ-li-ê · Le Chatelier principle

Nguyên lý Le Châtelier là quy tắc nói rằng khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng bị tác động, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm bớt tác động đó.

Một hệ cân bằng hóa học không phải là hệ đứng yên mà là hệ trong đó phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra với cùng tốc độ, nên nồng độ các chất không đổi theo thời gian. Khi ta thay đổi một điều kiện bên ngoài — thêm bớt chất, đổi thể tích bình chứa, hay đổi nhiệt độ — sự cân bằng giữa hai tốc độ bị phá vỡ và hệ buộc phải tự điều chỉnh. Nguyên lý Le Châtelier phát biểu rằng hệ luôn chuyển dịch theo chiều chống lại một phần tác động vừa gây ra, cho đến khi đạt một trạng thái cân bằng mới.

Cơ sở định lượng của nguyên lý này nằm ở việc so sánh hệ số phản ứng (reaction quotient) với hằng số cân bằng. Với phản ứng tổng quát $a\mathrm{A}+b\mathrm{B}\rightleftharpoons c\mathrm{C}+d\mathrm{D}$ , ta có $Q_c=\frac{[\mathrm{C}]^c[\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a[\mathrm{B}]^b}$ tức tỉ số nồng độ sản phẩm trên nồng độ chất phản ứng tại một thời điểm bất kỳ. Nếu sau khi bị tác động mà $Q<K$ , hệ còn thiếu sản phẩm nên phản ứng chạy theo chiều thuận; ngược lại $Q>K$ thì hệ chạy theo chiều nghịch để hạ $Q$ xuống. Do đó việc thêm chất phản ứng, hay nén bình để tăng áp suất, đều có thể suy ra kết quả mà không cần học thuộc từng trường hợp.

Tuy nhiên, cần phân biệt rõ hai loại tác động. Thay đổi nồng độ hoặc áp suất chỉ làm $Q$ lệch khỏi $K$ trong khi bản thân $K$ giữ nguyên, còn thay đổi nhiệt độ thì làm chính $K$ đổi giá trị: với phản ứng tỏa nhiệt (exothermic), tăng nhiệt độ làm $K$ giảm và cân bằng lùi về phía chất phản ứng. Ngoài ra, thêm chất xúc tác (catalyst) hay bơm khí trơ ở thể tích không đổi đều không làm cân bằng dịch chuyển, vì cả hai đều không làm thay đổi $Q$ . Vì vậy, câu hỏi đầu tiên cần đặt ra trước mỗi bài tập là: tác động này có thực sự làm $Q$ khác $K$ hay không?

Ký hiệu

• $Q$ so với $K$
•ký hiệu $\rightleftharpoons$ cho phản ứng thuận nghịch

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hằng số cân bằng (keq)keq

Khác nhau ở đâuNguyên lý Le Châtelier dự đoán chiều dịch chuyển cân bằng khi có tác động từ bên ngoài. Hằng số cân bằng K chỉ thay đổi theo nhiệt độ chứ không đổi khi ta thay đổi nồng độ hoặc áp suất.

Hay nhầm khiđề hỏi 'thêm chất phản ứng thì K tăng hay giảm', học sinh hay nhầm K thay đổi theo nguyên lý Le Châtelier

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18, 25, 717.

Trực giác: Giống như khi bạn đẩy mạnh một cánh cửa lò xo, cửa lùi lại nhưng lò xo lập tức đẩy ngược để bù lại một phần cú đẩy đó.

Công thức

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

Dùng để tính thương số phản ứng tại thời điểm bất kỳ, so sánh với $K_c$ để dự đoán chiều chuyển dịch của hệ theo nguyên lý Le Châtelier

Trong đó

Q_c

thương số phản ứng theo nồng độ

[A], [B]

nồng độ chất phản ứng tại thời điểm xét — M

[C], [D]

nồng độ sản phẩm tại thời điểm xét — M

a, b, c, d

hệ số tỉ lượng trong phương trình cân bằng

\htmlClass{fp-0}{Q_c} < \htmlClass{fp-1}{K_c} \Rightarrow \htmlClass{fp-2}{\text{shift right}}

Khi $Q_c < K_c$ , hệ chuyển dịch theo chiều thuận (tạo thêm sản phẩm) để đạt lại cân bằng

Trong đó

Q_c

thương số phản ứng tại thời điểm xét

K_c

hằng số cân bằng tại nhiệt độ xác định

\htmlClass{fp-0}{Q_c} > \htmlClass{fp-1}{K_c} \Rightarrow \htmlClass{fp-2}{\text{shift left}}

Khi $Q_c > K_c$ , hệ chuyển dịch theo chiều nghịch (tạo thêm chất phản ứng) để đạt lại cân bằng

Trong đó

Q_c

thương số phản ứng tại thời điểm xét

K_c

hằng số cân bằng tại nhiệt độ xác định

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1884Henri Louis Le ChâtelierKarl Ferdinand Braun

Nguyên lý này do nhà hóa học người Pháp Henri Louis Le Châtelier (1850–1936) nêu ra trong một bài báo ngắn năm 1884, khi ông tìm cách dự đoán một hệ đang cân bằng sẽ phản ứng thế nào trước những thay đổi từ bên ngoài.

Le Châtelier đến với vấn đề cân bằng không phải từ lý thuyết thuần túy mà từ công việc rất đời thường: nghiên cứu xi măng, trong đó có phản ứng phân hủy calcium carbonate thành calcium oxide và carbon dioxide. Đây đúng là một cân bằng hóa học (chemical equilibrium) thuận nghịch, và câu hỏi thực tiễn đặt ra là làm sao điều khiển nó theo hướng có lợi. Trong bài báo ngắn năm 1884, ông phát biểu rằng hệ đang cân bằng luôn tìm cách làm giảm hoặc triệt tiêu tác động của thay đổi được áp vào, để trở về trạng thái cân bằng nhiệt động (thermodynamic equilibrium) gần với ban đầu nhất có thể. Ông mở rộng lập luận vốn có của hệ thức Van 't Hoff — vốn chỉ nói về ảnh hưởng của nhiệt độ — sang cả áp suất và đại lượng ngày nay gọi là thế hóa học.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên đơn giản là tên người phát biểu: nguyên lý được gọi theo Henry Louis Le Châtelier, nhà hóa học kiêm kỹ sư người Pháp sinh năm 1850 tại Paris. Tuy nhiên, ông không phải người duy nhất tìm ra điều này. Karl Ferdinand Braun phát hiện nguyên lý một cách độc lập vào năm 1887, nên trong tài liệu ta còn gặp các tên gọi khác như nguyên lý Braun–Le Châtelier hoặc định luật cân bằng (equilibrium law) — biết trước những biến thể này giúp bạn không lúng túng khi đề thi hay sách tham khảo dùng cách gọi lạ. Điều thú vị là sức bao quát của ý tưởng vượt xa hóa học: năm 1947, nhà kinh tế học người Mỹ Paul Samuelson đưa vào kinh tế học một khái niệm tương tự và cũng mang tên Le Châtelier, cho thấy vì sao một nguyên lý sinh ra từ phòng thí nghiệm xi măng lại được đặt tên như một quy luật chung chứ không phải một công thức hẹp.

Nguồn đối chiếu

Hay hiểu sai

Thêm chất rắn nguyên chất hay chất lỏng nguyên chất không làm cân bằng dịch chuyển.

Mẹo phòng thi

Luôn viết ra tỉ số phản ứng và so sánh với hằng số cân bằng trước khi kết luận chiều dịch chuyển.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bromophenol blue là một chất chỉ thị axit–bazơ tồn tại trong nước theo cân bằng

\text{HBPB}^{+}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{BPB}(aq) + \text{H}_3\text{O}^{+}(aq)

, trong đó dạng

\text{HBPB}^{+}

có màu vàng còn dạng

\text{BPB}

có màu xanh lam. Hằng số cân bằng của quá trình này là

K_a = 1{,}0 \times 10^{-4}

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Một học sinh nhỏ vài giọt chất chỉ thị vào

50{,}0\ \text{mL}

dung dịch có

\text{pH} = 3{,}00

và quan sát thấy dung dịch màu vàng.

aTính tỉ số $[\text{BPB}]/[\text{HBPB}^{+}]$ trong dung dịch ban đầu và giải thích vì sao dung dịch có màu vàng.
bHọc sinh thêm từ từ dung dịch $\text{NaOH}$ cho đến khi $\text{pH}$ đạt $5{,}00$ . Dùng nguyên lý Le Châtelier giải thích chiều chuyển dịch của cân bằng và màu quan sát được, đồng thời tính lại tỉ số $[\text{BPB}]/[\text{HBPB}^{+}]$ .
cGiải thích kết quả ở phần (b) bằng cách so sánh thương số phản ứng $Q$ với $K_a$ ngay tại thời điểm vừa thêm $\text{OH}^{-}$ .

1Bước 1: Viết biểu thức hằng số cân bằng cho phản ứng đã cho, nhớ rằng nước là dung môi nguyên chất nên không xuất hiện trong biểu thức:

K_a = \frac{[\text{BPB}][\text{H}_3\text{O}^{+}]}{[\text{HBPB}^{+}]} = 1{,}0\times 10^{-4}

Biểu thức này nói rằng tỉ lệ giữa hai dạng màu bị điều khiển hoàn toàn bởi nồng độ

\text{H}_3\text{O}^{+}

trong dung dịch.

2Bước 2: Sắp xếp lại biểu thức trên để cô lập tỉ số hai dạng màu:

\frac{[\text{BPB}]}{[\text{HBPB}^{+}]} = \frac{K_a}{[\text{H}_3\text{O}^{+}]}

Với

\text{pH} = 3{,}00

ta có

[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 1{,}0\times 10^{-3}\ \text{M}

, nên tỉ số bằng

\dfrac{1{,}0\times 10^{-4}}{1{,}0\times 10^{-3}} = 0{,}10

. Nghĩa là cứ một phân tử dạng xanh thì có mười ion dạng vàng, dạng

\text{HBPB}^{+}

áp đảo và mắt ta chỉ thấy màu vàng. Đây là đáp án phần (a).

3Bước 3: Khi thêm

\text{NaOH}

, ion

\text{OH}^{-}

trung hòa

\text{H}_3\text{O}^{+}

theo phản ứng

\text{H}_3\text{O}^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}

. Sản phẩm

\text{H}_3\text{O}^{+}

của cân bằng chỉ thị bị lấy bớt đi, và theo nguyên lý Le Châtelier hệ sẽ phản ứng lại sự thay đổi đó bằng cách chuyển dịch sang phải để bù lại lượng

\text{H}_3\text{O}^{+}

đã mất. Do đó

\text{HBPB}^{+}

bị tiêu thụ,

\text{BPB}

được tạo thêm, và dung dịch chuyển từ vàng sang xanh lam.

4Bước 4: Kiểm chứng bằng số: ở

\text{pH} = 5{,}00

thì

[\text{H}_3\text{O}^{+}] = 1{,}0\times 10^{-5}\ \text{M}

, nên

\frac{[\text{BPB}]}{[\text{HBPB}^{+}]} = \frac{1{,}0\times 10^{-4}}{1{,}0\times 10^{-5}} = 10

Tỉ số đã đảo ngược từ

0{,}10

lên

10

, tức là tăng

100

lần, phù hợp với việc màu chuyển hẳn sang xanh lam. Đây là đáp án phần (b).

Ở $\text{pH} = 3{,}00$ tỉ số $[\text{BPB}]/[\text{HBPB}^{+}] = 0{,}10$ nên dạng axit màu vàng chiếm ưu thế. Thêm $\text{NaOH}$ làm giảm $[\text{H}_3\text{O}^{+}]$ , khiến $Q < K_a$ và cân bằng chuyển dịch sang phải để bù lại lượng $\text{H}_3\text{O}^{+}$ bị mất; ở $\text{pH} = 5{,}00$ tỉ số tăng lên $10$ và dung dịch chuyển sang màu xanh lam. Màu của chất chỉ thị vì vậy chính là hình ảnh trực quan của nguyên lý Le Châtelier.

2Ví dụ 2/2

Cho cân bằng pha khí

\text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftarrows 2\,\text{NO}_2(g)

với

\Delta H^\circ = +57{,}2\ \text{kJ/mol}

;

\text{N}_2\text{O}_4

không màu còn

\text{NO}_2

có màu nâu đỏ. Trong một xilanh dung tích

1{,}00\ \text{L}

ở

100\ ^\circ\text{C}

, hệ đạt cân bằng với

[\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}040\ \text{M}

và

[\text{NO}_2] = 0{,}020\ \text{M}

aTính $K_c$ ở $100\ ^\circ\text{C}$ , sau đó nén nhanh pittông xuống còn $0{,}500\ \text{L}$ ở nhiệt độ không đổi. Dùng $Q$ so với $K_c$ để dự đoán chiều chuyển dịch và màu của hỗn hợp sau khi cân bằng được thiết lập lại.
bGiữ thể tích $1{,}00\ \text{L}$ và hạ nhiệt độ xuống $0\ ^\circ\text{C}$ . Dự đoán chiều chuyển dịch, sự thay đổi màu và sự thay đổi của $K_c$ .
cBơm thêm khí $\text{He}$ vào bình ở thể tích và nhiệt độ không đổi. Cân bằng có chuyển dịch không? Giải thích.

1Bước 1: Tính hằng số cân bằng từ số liệu ban đầu:

K_c = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]} = \frac{(0{,}020)^2}{0{,}040} = \frac{4{,}0\times 10^{-4}}{0{,}040} = 1{,}0\times 10^{-2}

Giá trị

K_c = 0{,}010

này chỉ phụ thuộc nhiệt độ, nên nó vẫn đúng cho mọi thao tác ở

100\ ^\circ\text{C}

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 “Giới thiệu nguyên lý Le Châtelier” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớihiệu ứng ion chung (sắp có)dung dịch đệm

Liên quancân bằng hằng số cân bằng thương số phản ứng

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.

Bước 5: Ở phần (c), ngay khoảnh khắc vừa thêm

\text{OH}^{-}

, nồng độ

\text{BPB}

và

\text{HBPB}^{+}

chưa kịp đổi nhưng

[\text{H}_3\text{O}^{+}]

đã giảm, nên thương số phản ứng (reaction quotient)

Q = \frac{[\text{BPB}][\text{H}_3\text{O}^{+}]}{[\text{HBPB}^{+}]} < K_a

Vì

Q < K_a

, hệ phải tăng

Q

trở lại bằng cách tạo thêm sản phẩm và tiêu thụ chất phản ứng, tức là chuyển dịch sang phải. Cách lập luận bằng

Q

và

K

cho đúng kết luận như nguyên lý Le Châtelier, nhưng chặt chẽ hơn vì dựa trên số liệu.

Khi giảm thể tích một nửa mà số mol chưa kịp đổi, mọi nồng độ tăng gấp đôi:

[\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}080\ \text{M}

và

[\text{NO}_2] = 0{,}040\ \text{M}

. Thay vào biểu thức thương số:

Q = \frac{(0{,}040)^2}{0{,}080} = \frac{1{,}6\times 10^{-3}}{0{,}080} = 2{,}0\times 10^{-2}

Vì

Q = 0{,}020 > K_c = 0{,}010

, hệ phải giảm

Q

bằng cách tiêu thụ sản phẩm, tức là chuyển dịch sang trái.

3Bước 3: Kết quả này khớp với nguyên lý Le Châtelier: nén làm tăng áp suất, hệ chống lại bằng cách dịch về phía có ít mol khí hơn, mà vế trái chỉ có

1

mol khí so với

2

mol ở vế phải. Cần lưu ý cách mô tả màu cho đúng: ngay sau khi nén, màu nâu đậm lên vì nồng độ

\text{NO}_2

tăng gấp đôi, nhưng sau đó nhạt dần khi cân bằng dịch trái. Đó là đáp án phần (a).

4Bước 4: Ở phần (b), vì

\Delta H^\circ > 0

nên chiều thuận là phản ứng thu nhiệt (endothermic) và có thể coi nhiệt như một chất phản ứng:

\text{N}_2\text{O}_4(g) + \text{heat} \rightleftarrows 2\,\text{NO}_2(g)

. Hạ nhiệt độ là lấy bớt nhiệt, nên hệ chuyển dịch sang trái để sinh nhiệt bù lại, lượng

\text{NO}_2

nâu đỏ giảm và bình nhạt màu gần như không màu. Khác với phần (a), lần này bản thân

K_c

giảm, bởi hằng số cân bằng chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.

5Bước 5: Ở phần (c), khí trơ (inert gas)

\text{He}

không tham gia phản ứng và thể tích bình không đổi, nên nồng độ mol của

\text{N}_2\text{O}_4

và

\text{NO}_2

giữ nguyên. Do đó

Q

vẫn bằng

K_c

và cân bằng không chuyển dịch, dù áp suất tổng trong bình có tăng. Đây là bẫy quen thuộc: chỉ có áp suất riêng phần của các chất trong phương trình mới ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Với $K_c = 1{,}0\times 10^{-2}$ , phép nén xuống $0{,}500\ \text{L}$ cho $Q = 2{,}0\times 10^{-2} > K_c$ nên cân bằng dịch trái về phía $\text{N}_2\text{O}_4$ , làm màu nâu nhạt dần sau khi đậm lên tức thời. Hạ nhiệt độ cũng đẩy cân bằng sang trái và đồng thời làm $K_c$ giảm, còn thêm $\text{He}$ ở thể tích không đổi thì không gây chuyển dịch nào. Ba tình huống này cho thấy chỉ có thay đổi nhiệt độ mới làm đổi giá trị hằng số cân bằng, còn thay đổi nồng độ hay thể tích chỉ làm hệ chạy về lại giá trị cũ.