AP Chemistry

thương số phản ứng

reaction quotient

Còn gọi: Q · reaction quotient Q · thương số Q · hệ số phản ứng · reaction quotient (Q)

Thương số phản ứng là giá trị tính từ nồng độ các chất tại một thời điểm bất kì, dùng để xác định chiều hướng diễn ra của phản ứng.

Đối với một phản ứng thuận nghịch có dạng $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ , ta cần xác định thương số phản ứng $Q$ . Biểu thức của $Q$ được tính bằng công thức giống hệt hằng số cân bằng (keq) $K$ . Tuy nhiên, thay vì dùng nồng độ tại trạng thái cân bằng, ta lại dùng nồng độ tại một thời điểm bất kì.

Cụ thể, công thức tính thương số phản ứng được viết như sau: $Q_c = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$ Công thức này cho ta tỉ lệ giữa sản phẩm (product) và chất phản ứng (reactant) ngay tại thời điểm đang xét. Nhờ vào biểu thức toán học này, ta có thể đánh giá trạng thái của hệ bất kể hệ đã ổn định hay chưa.

Vì vậy, việc so sánh $Q$ với $K$ cho phép ta biết hệ đang thiếu sản phẩm hay thừa chất phản ứng. Nếu $Q < K$ , tỉ lệ sản phẩm đang quá nhỏ nên phản ứng sẽ tiếp tục xảy ra theo chiều thuận để tạo thêm sản phẩm. Ngược lại, khi $Q > K$ , lượng sản phẩm dư thừa sẽ khiến phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch. Chỉ khi $Q = K$ , hệ mới thực sự đạt trạng thái cân bằng động và không còn sự thay đổi nồng độ ròng nào nữa.

Do đó, các nhà hóa học thường tính $Q$ ngay từ lúc trộn các chất ban đầu để biết phản ứng sẽ diễn ra theo hướng nào. Việc nắm rõ giá trị thương số giúp ta điều khiển điều kiện ban đầu (initial conditions) một cách chủ động. Từ đó, ta có thể tối ưu hóa hiệu suất (yield) thu được sản phẩm mong muốn trước khi hệ kịp ổn định.

Ký hiệu

Q

Q_c

Q_p

Trực giác: Hãy tưởng tượng bạn đang rót nước vào một chiếc cốc có vạch mức chuẩn; lượng nước hiện tại so với vạch mức đó cho bạn biết cần rót thêm hay phải đổ bớt đi, và thương số phản ứng chính là lượng nước đang có trong cốc tại thời điểm bạn nhìn vào.

Công thức

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

Dùng khi một hệ hóa học chưa ở trạng thái cân bằng và ta cần xác định chiều phản ứng: tính $Q$ từ nồng độ (hoặc áp suất riêng phần) tại thời điểm đang xét, rồi so sánh với $K$ .

Trong đó

Q_c

thương số phản ứng tính theo nồng độ mol trên một lít — không thứ nguyên khi tổng hệ số hai vế bằng nhau

[A], [B]

nồng độ mol của chất phản ứng A và B tại thời điểm đang xét

[C], [D]

nồng độ mol của sản phẩm C và D tại thời điểm đang xét

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Thương số phản ứng ra đời cùng với việc nghiên cứu cân bằng hóa học, khi các nhà hóa học nhận ra phản ứng không chỉ chạy một chiều mà có thể diễn ra theo cả hai chiều. Các nguồn tra cứu không nêu rõ người đề xuất hay mốc năm cụ thể, nên phần lịch sử ở đây chỉ dừng ở bối cảnh ý tưởng.

Trong phần lớn lịch sử, người ta hình dung phản ứng hóa học như một sự biến đổi một chiều: chất tham gia biến thành sản phẩm rồi câu chuyện kết thúc. Khi khái niệm phản ứng thuận nghịch (reversible reaction) được chấp nhận, cách nhìn đó không còn đủ, vì hệ có thể dừng lại ở một trạng thái mà cả hai chiều vẫn đang chạy với tốc độ bằng nhau. Từ đó nảy sinh nhu cầu đo xem tại một thời điểm bất kỳ, hệ đang ở đâu so với trạng thái cân bằng đó. Thương số phản ứng chính là đại lượng trả lời câu hỏi này: nó được tính bằng đúng biểu thức của hằng số cân bằng (equilibrium constant), nhưng dùng nồng độ hoặc áp suất riêng phần ngay lúc quan sát chứ không đòi hỏi hệ đã cân bằng.

Hay hiểu sai

Q nhỏ hơn K thì phản ứng chạy theo chiều thuận, không phải chiều nghịch.

Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không được đưa vào biểu thức Q.

Phải thay nồng độ mol vào Q, không thay số mol.

Q = K không có nghĩa là phản ứng đã dừng lại.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ở

448\ ^\circ\text{C}

, phản ứng

\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftarrows 2\,\text{HI}(g)

có hằng số cân bằng (equilibrium constant)

K_c = 50.5

. Một học sinh nạp vào bình kín thể tích

2.00\ \text{L}

các lượng ban đầu sau:

1.0 \times 10^{-2}\ \text{mol}\ \text{H}_2

3.0 \times 10^{-2}\ \text{mol}\ \text{I}_2

và

2.0 \times 10^{-2}\ \text{mol}\ \text{HI}

, rồi giữ bình ở nhiệt độ trên. Mọi tính toán phải trình bày rõ từng bước.

aTính thương số phản ứng $Q_c$ của hỗn hợp ban đầu và cho biết phản ứng diễn ra theo chiều nào để đạt cân bằng. Giải thích dựa trên phép so sánh với $K_c$ .
bGiả sử nồng độ $\text{H}_2$ và $\text{I}_2$ vẫn giữ nguyên như ban đầu, hãy tính nồng độ $\text{HI}$ cần có để hỗn hợp đã ở trạng thái cân bằng.
cDựa vào kết quả phần (a), cho biết dấu của $\Delta G$ đối với chiều thuận tại thời điểm ban đầu. Giải thích.

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 trướcnồng độ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hằng số cân bằng (keq)keq

Khác nhau ở đâuThương số phản ứng tính từ nồng độ tại bất kì thời điểm nào, không chỉ tại cân bằng. Hằng số cân bằng chỉ có một giá trị cố định ở mỗi nhiệt độ xác định.

Hay nhầm khiĐề cho nồng độ ban đầu và hỏi phản ứng dịch chuyển sang phải hay sang trái

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 736–737, 742.

2Ví dụ 2/2

Bạc clorua là chất ít tan, cân bằng hòa tan của nó là

\text{AgCl}(s) \rightleftarrows \text{Ag}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)

với tích số tan (solubility product)

K_{sp} = 1.8 \times 10^{-10}

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Một học sinh trộn

25.0\ \text{mL}

dung dịch

\text{AgNO}_3

1.0 \times 10^{-4}\ M

với

25.0\ \text{mL}

dung dịch

\text{NaCl}

1.0 \times 10^{-4}\ M

. Giả thiết thể tích cộng được và nhiệt độ không đổi.

aTính $Q_{sp}$ ngay sau khi trộn và cho biết có kết tủa $\text{AgCl}$ xuất hiện hay không.
bLặp lại phép đánh giá nếu dung dịch $\text{AgNO}_3$ được thay bằng dung dịch $1.0 \times 10^{-6}\ M$ , các dữ kiện khác giữ nguyên.

1Bước 1: Khi trộn hai dung dịch, mỗi chất tan bị pha loãng vào tổng thể tích

25.0 + 25.0 = 50.0\ \text{mL}

. Áp dụng

c_1V_1 = c_2V_2

cho từng ion:

[\text{Ag}^+] = (1.0 \times 10^{-4})\dfrac{25.0}{50.0} = 5.0 \times 10^{-5}\ M

và tương tự

[\text{Cl}^-] = 5.0 \times 10^{-5}\ M

. Bỏ qua bước pha loãng này là lỗi thường gặp nhất trong dạng bài trên.

2Bước 2: Thương số phản ứng viết cho cân bằng hòa tan chỉ chứa các ion, vì chất rắn không xuất hiện trong biểu thức:

Q_{sp} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] = (5.0 \times 10^{-5})(5.0 \times 10^{-5}) = 2.5 \times 10^{-9}

Đây là tích nồng độ ion tại thời điểm vừa trộn, chưa phải giá trị ở trạng thái bão hòa.

3Bước 3: So sánh

Q_{sp} = 2.5 \times 10^{-9}

với

K_{sp} = 1.8 \times 10^{-10}

cho thấy

Q_{sp} > K_{sp}

, tức nồng độ ion đang vượt mức mà dung dịch bão hòa chịu được. Hệ phải giảm nồng độ ion bằng cách chuyển dịch theo chiều nghịch, nghĩa là ion kết hợp lại thành chất rắn. Vậy kết tủa (precipitate)

\text{AgCl}

sẽ xuất hiện và quá trình dừng khi tích nồng độ hai ion giảm về đúng

1.8 \times 10^{-10}

4Bước 4: Với

\text{AgNO}_3

1.0 \times 10^{-6}\ M

, phép pha loãng cho

[\text{Ag}^+] = 5.0 \times 10^{-7}\ M

trong khi

[\text{Cl}^-]

vẫn là

5.0 \times 10^{-5}\ M

. Khi đó

Q_{sp} = (5.0 \times 10^{-7})(5.0 \times 10^{-5}) = 2.5 \times 10^{-11}

, nhỏ hơn

K_{sp} = 1.8 \times 10^{-10}

. Vì

Q_{sp} < K_{sp}

, dung dịch chưa bão hòa nên không có chất rắn tách ra; nếu có sẵn tinh thể

\text{AgCl}

thì nó còn tiếp tục tan thêm.

Ở thí nghiệm đầu, sau khi pha loãng ta có $Q_{sp} = 2.5 \times 10^{-9} > K_{sp} = 1.8 \times 10^{-10}$ , nên $\text{AgCl}$ kết tủa cho tới khi tích nồng độ ion giảm về đúng giá trị $K_{sp}$ . Khi thay bằng dung dịch bạc loãng hơn một trăm lần, $Q_{sp}$ chỉ còn $2.5 \times 10^{-11}$ , nhỏ hơn $K_{sp}$ , nên dung dịch vẫn trong suốt và không có kết tủa nào hình thành.