Hằng số cân bằng là gì? Công thức Kc, ý nghĩa và bài tập ví dụ

Hằng số cân bằng là gì?

Hằng số cân bằng là đại lượng cho biết mối quan hệ giữa nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng của một phản ứng thuận nghịch tại một nhiệt độ xác định. Hằng số cân bằng thường ký hiệu là K. Nếu xét theo nồng độ mol, thường ký hiệu là K_c.

Ví dụ phản ứng tổng quát:

aA + bB ⇌ cC + dD

Biểu thức hằng số cân bằng theo nồng độ là:

K_c = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b)

Trong đó [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol của các chất ở trạng thái cân bằng; a, b, c, d là hệ số trong phương trình hoá học đã cân bằng.

Hằng số cân bằng là kiến thức trung tâm của cân bằng hoá học. Bài này cũng liên quan đến nguyên lý Le Chatelier, tốc độ phản ứng, nồng độ mol và phương trình hoá học. Khi cần tra nguyên tố hoặc công thức chất, bạn có thể dùng bảng tuần hoàn hóa học.

Ý nghĩa của hằng số cân bằng

Giá trị K cho biết cân bằng nghiêng về phía sản phẩm hay chất tham gia ở một nhiệt độ xác định.

Cần nhớ rằng K không cho biết phản ứng nhanh hay chậm. Một phản ứng có K lớn có thể vẫn xảy ra chậm nếu năng lượng hoạt hoá cao. Tốc độ phản ứng và vị trí cân bằng là hai vấn đề khác nhau.

Cách viết biểu thức K_c

Để viết biểu thức K_c, cần dùng phương trình hoá học đã cân bằng. Nồng độ sản phẩm đặt ở tử số, nồng độ chất tham gia đặt ở mẫu số. Mỗi nồng độ được nâng lên luỹ thừa bằng hệ số của chất đó trong phương trình.

Ví dụ 1

Với phản ứng:

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

Biểu thức:

K_c = [HI]² / ([H₂][I₂])

Ví dụ 2

Với phản ứng:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Biểu thức:

K_c = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³)

Ví dụ 3

Với phản ứng:

2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)

Biểu thức:

K_c = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂])

Chất rắn và chất lỏng tinh khiết có đưa vào biểu thức K không?

Trong biểu thức hằng số cân bằng, chất rắn tinh khiết và chất lỏng tinh khiết thường không được đưa vào biểu thức K vì hoạt độ của chúng được xem là không đổi trong cách học cơ bản.

Ví dụ phản ứng:

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)

Biểu thức cân bằng chỉ liên quan đến CO₂:

K_c = [CO₂]

CaCO₃ và CaO là chất rắn tinh khiết nên không xuất hiện trong biểu thức K.

K phụ thuộc vào yếu tố nào?

Hằng số cân bằng K phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, K có thể thay đổi. Nồng độ, áp suất hoặc chất xúc tác có thể làm hệ chuyển dịch hoặc đạt cân bằng nhanh hơn, nhưng tại cùng một nhiệt độ, giá trị K của phản ứng không đổi.

Thương số phản ứng Q và hằng số cân bằng K

Thương số phản ứng Q có biểu thức giống K nhưng dùng nồng độ tại một thời điểm bất kỳ, không nhất thiết ở cân bằng. So sánh Q với K giúp dự đoán chiều phản ứng sẽ chuyển dịch để đạt cân bằng.

Khái niệm Q giúp học sinh hiểu sâu hơn vì sao hệ cân bằng chuyển dịch sau khi ta thay đổi nồng độ.

Ví dụ tính hằng số cân bằng

Cho phản ứng:

H₂ + I₂ ⇌ 2HI

Ở trạng thái cân bằng, [H₂] = 0,20 M, [I₂] = 0,20 M, [HI] = 1,20 M. Tính K_c.

Biểu thức:

K_c = [HI]² / ([H₂][I₂])

Thay số:

K_c = (1,20)² / (0,20 × 0,20)

K_c = 1,44 / 0,04 = 36

Vậy K_c = 36. Giá trị này lớn hơn 1, nên ở điều kiện đó cân bằng nghiêng về phía tạo HI.

Khi đảo chiều hoặc nhân hệ số phương trình, K thay đổi thế nào?

Hằng số cân bằng phụ thuộc vào cách viết phương trình.

Ví dụ nếu:

H₂ + I₂ ⇌ 2HI có K = 36

thì phản ứng đảo:

2HI ⇌ H₂ + I₂ có K = 1/36.

Hằng số cân bằng và nguyên lý Le Chatelier

Nguyên lý Le Chatelier giúp dự đoán cân bằng chuyển dịch khi bị tác động. Hằng số cân bằng giúp mô tả định lượng trạng thái cân bằng ở một nhiệt độ xác định. Khi thay đổi nồng độ, hệ chuyển dịch để Q trở lại bằng K. Khi thay đổi nhiệt độ, chính K có thể thay đổi.

Ví dụ, nếu thêm chất tham gia vào hệ cân bằng, Q thường giảm so với K, hệ chuyển dịch theo chiều thuận để tạo thêm sản phẩm cho đến khi Q = K trở lại.

Bài tập ví dụ về hằng số cân bằng

Bài 1

Viết biểu thức K_c cho phản ứng: 2NO₂ ⇌ N₂O₄.

Lời giải:

K_c = [N₂O₄] / [NO₂]²

Bài 2

Cho phản ứng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Nếu K rất lớn, cân bằng nghiêng về phía nào?

Lời giải: K rất lớn nghĩa là cân bằng nghiêng về phía sản phẩm, tức phía NH₃.

Bài 3

Chất xúc tác có làm thay đổi K không?

Lời giải: Không. Chất xúc tác không làm thay đổi K nếu nhiệt độ không đổi; nó chỉ làm hệ đạt cân bằng nhanh hơn.

Những lỗi thường gặp khi học hằng số cân bằng

Lỗi đầu tiên là viết biểu thức K từ phương trình chưa cân bằng. Hệ số phương trình là số mũ trong biểu thức K, nên phương trình phải cân bằng trước.

Lỗi thứ hai là đưa chất rắn tinh khiết hoặc chất lỏng tinh khiết vào biểu thức K trong các bài cơ bản.

Lỗi thứ ba là nghĩ K lớn nghĩa là phản ứng nhanh. K nói về vị trí cân bằng, không nói tốc độ phản ứng.

Lỗi thứ tư là nghĩ thay đổi nồng độ làm K đổi. Ở nhiệt độ không đổi, K không đổi; hệ chỉ chuyển dịch để thiết lập cân bằng mới.

Kết luận

Hằng số cân bằng K là đại lượng mô tả thành phần hệ ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ xác định. K lớn cho biết cân bằng nghiêng về phía sản phẩm, K nhỏ cho biết cân bằng nghiêng về phía chất tham gia. Biểu thức K phải viết từ phương trình đã cân bằng và thường không gồm chất rắn, chất lỏng tinh khiết trong bài cơ bản.

Hiểu hằng số cân bằng giúp học sinh học sâu hơn về cân bằng hoá học, nguyên lý Le Chatelier, thương số phản ứng Q và các bài toán cân bằng trong chương trình hoá học.

Tài liệu tham khảo

• IUPAC Gold Book – Equilibrium constant: https://goldbook.iupac.org/terms/view/E02177
• IUPAC Gold Book – Chemical equilibrium: https://goldbook.iupac.org/terms/view/C01023
• Royal Society of Chemistry – Equilibrium constants: https://edu.rsc.org/
• Chemistry LibreTexts – Equilibrium Constants: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry

Tác giả bài viết 12348 bài viết

Hồng Anh

BTV Hoá học tại bangtuanhoanhoahoc.com

Hồng Anh là biên tập viên nội dung tại BangTuanHoanHoaHoc.com, phụ trách biên soạn và rà soát các bài viết về bảng tuần hoàn hoá học, nguyên tố hoá học, kiến thức Hoá học THCS – THPT và hệ thống câu hỏi trắc nghiệm Hoá học.Các nội dung do Hồng Anh thực hiện được xây dựng theo hướng dễ hiểu, bám sát kiến thức nền tảng, ưu tiên tính chính xác và khả năng ứng dụng trong học tập.

Bảng tuần hoàn Nguyên tố hoá học Hoá học THCS - THPT Trắc nghiệm Hoá học

Xem hồ sơ tác giả