Máy tính cân bằng hóa học

Hầu hết các phản ứng chạy cả hai chiều cùng lúc. Các phân tử thuận kết hợp thành sản phẩm trong khi phân tử sản phẩm tách trở lại, và khi hai tốc độ triệt tiêu chính xác, nồng độ đông cứng ở giá trị cân bằng của chúng — không phải vì có gì dừng lại, mà vì mọi thay đổi đều được hoàn tác ngay khi nó xảy ra. Tỷ lệ đông cứng đó được ghi lại bằng một con số, hằng số cân bằng K: các sản phẩm nâng lên số mũ hệ số, chia cho các chất phản ứng nâng lên số mũ của chúng. Với phản ứng Haber N₂ + 3H₂ = 2NH₃, K_c = [NH₃]²/([N₂][H₂]³). K là điểm của cuộc kéo co: lớn hơn 1 nhiều thì sản phẩm thắng, nhỏ hơn nhiều thì chất phản ứng thắng.

Khi mọi thứ đều được hòa tan, K dùng nồng độ (K_c); với khí, áp suất riêng phần cũng dùng được (K_p). Chúng là cùng một hằng số trong bộ quần áo khác, liên hệ bằng K_p = K_c(RT)^Δn, trong đó Δn đếm số phân tử khí ở vế sản phẩm trừ vế chất phản ứng. Với phản ứng Haber Δn = 2−4 = −2, nên K_p nhỏ hơn K_c rất nhiều: với K_c = 4,0 ở 500 K, mẫu tính được K_p = 2,4×10⁻³. Nhiệt động lực học khép vòng từ phía khác: ΔG° = −RT ln K, nên ΔG° = −10 kJ/mol chuyển thành K ≈ 57 (sản phẩm được ưu thế) trong bảng Gibbs — một lợi thế năng lượng tự do nhỏ đã là một tỷ lệ lớn.

Để dự đoán phản ứng sẽ dừng ở đâu, hãy lập ba hàng: Initial (nồng độ ban đầu), Change (thay đổi theo ±hệ số·x), Equilibrium (cân bằng, là tổng của hai hàng trên). Sau đó giải tìm x. Mẫu ICE bắt đầu với N₂ + 3H₂ ở 1,0 và 3,0 M, không có amoniac, và K_c = 4,0; bộ giải tìm được x ≈ 0,65, nên ở cân bằng khoảng 0,35 M N₂, 1,06 M H₂ và 1,29 M NH₃ cùng tồn tại — và thay ngược các giá trị đó tái tạo K_c = 4,0, đó chính là phép kiểm chứng mà khung in ra. Sách giáo khoa cho phép cách tắt “x nhỏ” khi ít hơn 5% phản ứng; trang này thay vào đó chia đôi toàn bộ phương trình, nên không cần giả định nào như vậy.

Thương số phản ứng Q là công thức của K áp dụng cho các nồng độ hiện có ngay lúc này, trước khi đạt cân bằng. So sánh chúng cho biết hướng: Q < K, thuận; Q > K, nghịch; Q = K, đã đạt rồi. Mẫu Q là một trường hợp ấn tượng — với K_c = 4,0 nhưng Q = 4×10⁴, hỗn hợp đang ngập trong sản phẩm và phản ứng chạy ngược mạnh. Q là cách nhà hóa học dự đoán hướng của một hỗn hợp đề xuất trước khi trộn, và là cách cơ thể quyết định, chẳng hạn, hemoglobin sẽ nhận hay nhả oxy.

Làm xáo trộn một cân bằng và nó dịch chuyển để giảm bớt xáo trộn. Thêm chất phản ứng → nó tiêu thụ một phần; lấy bớt sản phẩm → nhiều sản phẩm hơn được tạo ra; nén hỗn hợp khí → nó dịch về phía có ít phân tử khí hơn; đun nóng → nó dịch về chiều thu nhiệt. Hãy lưu ý phần chữ nhỏ ẩn trong hộp khóa ở trên: nhiệt độ là tác động duy nhất làm thay đổi chính K (nó đánh giá lại toàn bộ cuộc kéo co), còn áp suất và nồng độ chỉ định vị lại cân bằng. Chất xúc tác không thay đổi cái nào — nó tăng tốc cả chiều thuận và nghịch như nhau, nên cân bằng đến nhanh hơn nhưng đúng ở cùng vị trí. Quy trình Haber là ví dụ công nghiệp tiêu biểu: 4 phân tử khí thành 2, nên áp suất cao đẩy về phía NH₃, trong khi nhiệt độ đánh đổi hiệu suất lấy tốc độ.

• Cân bằng nghĩa là phản ứng đã dừng. Cả hai chiều vẫn chạy với tốc độ đầy đủ; chỉ có thay đổi thuần là bằng không.
• Thêm chất phản ứng làm tăng K. Nó dịch vị trí về phía trước và Q tạm thời, sau đó hệ trở về cùng K. Chỉ nhiệt độ làm dịch K.
• Chất xúc tác làm tăng hiệu suất. Nó thay đổi thời gian để đạt cân bằng, không bao giờ thay đổi vị trí của cân bằng. Hiệu suất công nghiệp thay đổi nhờ nhiệt độ, áp suất và việc loại bỏ sản phẩm liên tục.
• Ở cân bằng, nồng độ chất phản ứng và sản phẩm bằng nhau. Nồng độ bằng nhau nghĩa là K = 1, không hơn. K = 4,0 trong mẫu: sản phẩm đã được ưu thế gấp bốn lần, nhưng rõ ràng không bằng nhau.

Công cụ liên quan: Axit–Bazơ & pH (Ka và Kb là các hằng số cân bằng), Nhiệt hóa học (nơi ΔG và K đến từ đâu), và Động học (các tốc độ quyết định cân bằng đạt được nhanh đến mức nào).