V. Oxi Lưu huỳnh lí thuyết về phản ứng hoá học
9. Cân bằng hoá học
Có những phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau, ví dụ phản ứng phân huỷ và tạo thành nước, phản ứng phân huỷ và tạo thành thuỷ ngân oxit, phản ứng phân huỷ và tạo thành anhiđrit sunfuric v.v...
Ta xét phản ứng oxi hoá anhiđric sunfurơ để tạo thành anhiđrit sunfuric : 2SO2 + O2 = 2SO3
Nếu ta cho anhiđrit sunfuric đi qua chất xúc tác đã được sử dụng để oxi hoá anhiđric sunfurơ, và cũng ở đúng nhiệt độ oxi hoá anhiđric sunfurơ thì thấy rằng, một phần anhiđrit sunfuric bị phân huỷe thành anhiđric sunfurơ và oxi, nghĩa là xảy ra phản ứng :
2SO3 = 2SO2 + O2
Như vậy, phản ứng tạo thành SO3 và phản ứng phân huỷ SO3 xảy ra ở cùng điều kiện. Hai phản ứng đó là thuận nghịch của nhau.
Những phản ứng hoá học xảy ra theo hai chiều ngược nhau ở cùng điều kiện gọi là phản ứng
thuận nghịch.
Phản ứng thuận nghịch biểu thị bằng phương trình với những mũi tên hai chiều ngược nhau : 2SO2 + O2 2SO3
Lúc đầu, khi mới trộn SO2 với O2 thì tốc độ phản ứng thuận lớn (phản ứng tạo thành SO3), còn tốc độ của phản ứng nghịch bằng không. Theo mức độ xảy ra phản ứng, các chất đầu bị tiêu thụ, nồng độ của chúng giảm xuống nên tốc độ của phản ứng thuận giảm. Đồng thời với sự giảm nồng độ của các chất tham gia phản ứng là sự xuất hiện và tăng nồng độ của sản phẩm phản ứng. Do vậy, phản ứng nghịch (phản ứng phân huỷ SO3) bắt đầu xảy ra và tốc độ của nó tăng dần. Đến một lúc các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng đạt đến một tỉ lệ xác định, có bao nhiêu phân
tử SO3 được tạo ra thì có bấy nhiêu phân tử SO3 bị phân huỷ thành SO2 và O2 trong cùng một đơn vị thời gian. Lúc đó tốc đọ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch. Ta nói, phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng.
Cân bằng hoá học là trạng thái của hỗn hợp các chất phản ứng khi tốc độ của phản ứng thuận
bằng tốc độ của phản ứng nghịch :
vt = vn
(vt : tốc độ phản ứng thuận, vn : tốc độ của phản ứng nghịch)
Cân bằng hoá học là cân bằng động, nghĩa là khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng, các phản ứng thuận nghịch vẫn tiếp tục xảy ra, nhưng vì tốc độ của chúng bằng nhau, do đó không nhận thấy sự biến đổi trong hệ. Cân bằng hoá học của một phản ứng sẽ bị thay đổi nếu ta thay đổi các điều kiện tiến hành phản ứng như nhiệt độ, áp suất và nồng độ các chất tham gia phản ứng.
Phản ứng oxi hoá SO2 thành SO3 đã đạt đến trạng thái cân bằng ở nhiệt độ xác định, nếu cho thêm oxi thì tốc độ của phản ứng thuận sẽ tăng, làm tăng nồng độ của SO3 làm giảm nồng độ của SO2 và O2. Nhưng sự tăng nồng độ SO3 cũng kéo theo sự tăng nồng độ của phản ứng thuận và nghịch. Sau một thời gian nào đó, tốc độ của các phản ứng thuận và nghịch lại bằng nhau, cân bằng mới được các lập, nhưng nồng độ của SO3 bây giờ lớn hơn so với trước khi thêm oxi, còn nồng độ của SO2 thì nhỏ hơn.
Quá trình biến đổi nồng độ các chất trong hỗn hợp phản ứng từ trạng thái cân bằng này đến
trạng thái cân bằng khác do sự thay đổi điều kiện của môi trường gọi là sự chuyển dịch cân bằng hoá học.
Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu phản ứng xảy ra làm giảm thể tích của hỗn hợp các chất phản ứng (làm giảm số phân tử khí) thì sự tăng áp suất sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch về phía giảm số phân tử khí, nghĩa là sang phía giảm áp suất; khi giảm áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía tăng số phân tử khí, nghĩa là sang phía tăng áp suất.
Trong trường hợp phản ứng xảy ra không có sự biến đổi số phân tử khí thì áp suất không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự chuển dịch cân bằng hoá học theo quy luật : khi đun nóng, cân bằng của phản ứng toả nhiệt sẽ chuyển dịch về phía tạo thành những chất ban đầu, còn cân bằng của phản ứng thu nhiệt sẽ chuyển dịch về phía tạo thành sản phẩm phản ứng.
Các chất xúc tác ảnh hưởng như nhau đến tốc độ của phản ứng thuận và tốc độ của phản ứng nghịch, do vậy chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hoá học.