Phản ứng hóa học luôn diễn ra theo hai chiều, tạo nên trạng thái cân bằng động. Hiểu rõ khái niệm này, đặc biệt là hằng số cân bằng (KC), giúp chúng ta dự đoán chiều hướng và mức độ diễn ra của phản ứng. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích và tính toán hằng số cân bằng cho phản ứng tổng hợp SO3, một phản ứng quan trọng trong công nghiệp hóa chất.
Phân tích bài toán
Phản ứng hóa học được cho là:
2SO2(g) + O2(g) ⇌ 2SO3(g)
Ban đầu, ta có:
- Số mol SO2: 0,4 mol
- Số mol O2: 0,6 mol
- Dung tích bình: 1 lít
Ở trạng thái cân bằng, lượng SO3 tạo thành là 0,3 mol.
Vì dung tích bình là 1 lít, nên nồng độ mol của các chất tại mỗi thời điểm sẽ bằng với số mol của chúng.
Tính toán số mol và nồng độ tại trạng thái cân bằng
Chúng ta sẽ lập bảng để theo dõi sự thay đổi số mol và nồng độ của các chất trong phản ứng:
| Chất | Phản ứng ban đầu (mol) | Lượng phản ứng (mol) | Lượng cân bằng (mol) |
|---|---|---|---|
| SO2 | 0,4 | 0,3 | 0,4 – 0,3 = 0,1 |
| O2 | 0,6 | 0,3 / 2 = 0,15 | 0,6 – 0,15 = 0,45 |
| SO3 | 0 | 0,3 | 0,3 |
Giải thích:
- Dựa vào phương trình phản ứng, tỉ lệ mol phản ứng giữa SO2, O2 và SO3 là 2:1:2.
- Vì có 0,3 mol SO3 được tạo thành, nên lượng SO2 phản ứng là 0,3 mol và lượng O2 phản ứng là 0,3 / 2 = 0,15 mol.
- Số mol SO2 và O2 còn lại ở trạng thái cân bằng được tính bằng số mol ban đầu trừ đi lượng đã phản ứng.
Do dung tích bình là 1 lít, nồng độ mol tại trạng thái cân bằng lần lượt là:
- [SO2] = 0,1 M
- [O2] = 0,45 M
- [SO3] = 0,3 M
Tính hằng số cân bằng KC
Hằng số cân bằng KC của phản ứng được biểu diễn như sau:
KC = [text{SO}_3]2 / ([text{SO}_2]2 . [text{O}_2])
Thay các giá trị nồng độ tại trạng thái cân bằng vào biểu thức:
KC = (0,3)2 / ((0,1)2 . 0,45)
KC = 0,09 / (0,01 . 0,45)
KC = 0,09 / 0,0045
KC = 20
Vậy, hằng số cân bằng KC của phản ứng tổng hợp SO3 ở nhiệt độ này là 20. Giá trị này cho thấy ở điều kiện đã cho, phản ứng có xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ theo chiều tạo thành sản phẩm SO3.
