Chương 5 Cân bằng hóa học Hóa Đại Cương

1. Khái niệm cân bằng phản ứng thuận nghịch 2. Hằng số cân bằng 2.1. Hằng số cân bằng mol KC 2.2. Hằng số cân bằng áp suất riêng KP 2.3. Hằng số cân bằng phân số mol Kx 3. Phương trình cân bằng và hằng số cân bằng 4. Chiều diễn tiến của phản ứng thuận nghịch Phương trình đẳng nhiệt Van Hoff 4.1. Mối liên hệ giữa KP và G0 4.2. Dựa vào hằng số cân bằng để dự đoán chiều diễn tiến của phản ứng 5. Sự chuyển dịch cân bằng – nguyên lý Le Chatelier 5.1. Sự chuyển dịch cân bằng Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier 5.2. Ảnh hưởng của nồng độ 5.3. Ảnh hưởng của áp suất 5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ

CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG HÓA HỌC

MỤC TIÊU

G1.5 Trình bày được khái niệm phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng và nguyên lý chuyển dịch cân bằng

G2.4 Có khả năng chủ động tự tìm kiếm tài liệu, tự nghiên cứu và trình bày các nội dung liên quan đến một môn học

G3 Có khả năng giao tiếp bằng văn viết

G4 Vận dụng được lý thuyết đã học để giải thích những vấn đề thực tế liên quan

NỘI DUNG

1 Khái niệm cân bằng - phản ứng thuận nghịch

2 Hằng số cân bằng

2.1 Hằng số cân bằng mol K C

2.2 Hằng số cân bằng áp suất riêng K P

2.3 Hằng số cân bằng phân số mol K x

3 Phương trình cân bằng và hằng số cân bằng

4 Chiều diễn tiến của phản ứng thuận nghịch - Phương trình đẳng nhiệt Van Hoff

4.1 Mối liên hệ giữa K P và  G0

4.2 Dựa vào hằng số cân bằng để dự đoán chiều diễn tiến của phản ứng

5 Sự chuyển dịch cân bằng – nguyên lý Le Chatelier

5.1 Sự chuyển dịch cân bằng - Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

5.2 Ảnh hưởng của nồng độ

5.3 Ảnh hưởng của áp suất

5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đọc sách HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Nguyễn Đức Chung)

Chương 6: CÂN BẰNG HÓA HỌC – CÂN BẰNG PHA từ trang 208-218

Câu hỏi thực tế:

1 Vì sao chất Florua lại bảo vệ được răng ?

1 Khái niệm cân bằng - phản ứng thuận nghịch

Phản ứng một chiều : tác chất biến hóa hoàn toàn thành sản phẩm

Ví dụ : Zn (r) + 2HCl (dd)  ZnCl2 (dd) + H2 (k)

Phản ứng thuận nghịch : ở cùng một điều kiện như nhau, xảy ra đồng thời hai phản ứng ngược chiều nhau Phản ứng xảy ra không hoàn toàn

Ví dụ :

Phản ứng thuận : N2O4 (k)  2 NO2 (k)

Phản ứng nghịch : 2 NO2 (k)  N2O4 (k)

Phản ứng thuận nghịch : N2O4 (k)  2 NO2 (k)

Cân bằng hoá học là điểm mà tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch

và nồng độ các chất (hoặc áp suất hơi riêng phần của các chất khí) không thay đổi nữa

Đây là cân bằng động vì phản ứng không dừng lại mà vận tốc phản ứng thuận bằng vận tốc

phản ứng nghịch

Một phản ứng thuận nghịch trước sau cũng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng

Hệ đang ở trạng thái cân bằng có các giá trị thông số trạng thái (nhiệt độ, áp suất, nồng độ,

…) không thay đổi theo thời gian

Đại lượng đặc trưng cho trạng thái cân bằng của một phản ứng thuận nghịch là hằng số cân bằng Kcb

2 Hằng số cân bằng

2.1 Hằng số cân bằng mol K C

Ví dụ : Xét phản ứng cân bằng N 2O4 (k)  2 NO2 (k)

Phản ứng thuận N2O4 (k)  2 NO2 (k) vt = kt [N2O4]

Phản ứng nghịch 2 NO2 (k)  N2O4 (k) vn = kn [NO2]2

Tại thời điểm cân bằng vt=vn

2 2

2 4

t

n

Đặt KC là hằng số cân bằng của phản ứng theo nồng độ tại nhiệt độ đang khảo sát phản ứng, bằng tỷ số giữa kt và kn:

2 2

2 4

t

C

n

K

 

Thời gian

Đạt cân bằng

Thời gian

Đạt cân bằng

v t = v n

 Trường hợp tổng quát:

aA + bB  cC + dD

“Khi một hệ đồng thể đạt đến trạng thái cân bằng, tích nồng độ của sản phẩm phản ứng với số mũ thích hợp chia cho tích nồng độ của các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp luôn luôn là hằng số ở một nhiệt độ không đổi ”

[ ] [ ] [ ] [ ]

K



KC : hằng số cân bằng theo nồng độ Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc nhiệt độ

[A], [B], [C], [D] nồng độ các chất khi hệ đạt trạng thái cân bằng

Độ lớn của hằng số cân bằng:

 Kcb càng lớn thì tại cân bằng nồng độ sản phẩm càng cao Kcb>>1 sản phẩm chiếm ưu thế

 Kcb càng nhỏ thì tại cân bằng nồng độ tác chất càng cao Kcb<<1 tác chất chiếm ưu thế

Hằng số cân bằng cho biết phản ứng đã cho diễn ra với mức độ như thế nào và cho phép tính toán hiệu suất phản ứng Hằng số cân bằng càng lớn, hiệu suất càng cao Ngược lại, hằng số cân bằng càng nhỏ, hiệu suất càng thấp

Ví dụ : Cho 10 mol N2O vào một bình dung tích 2 lít, khi đó N2O phân hủy theo phản ứng:

2N2O (k)  2N2 (k) + O2 (k) Tại cân bằng thấy còn 2,20 mol N2O trong bình Xác định hằng số KC của phản ứng tại nhiệt độ đã cho

2.2 Hằng số cân bằng áp suất riêng K P

Đối với chất khí phản ứng trong hệ kín, nồng độ các chất có thể được thay bằng áp suất hơi riêng phần

c d

C D

A B

P P K

P P



KP : hằng số cân bằng theo áp suất

PA, PB, PC, PD, áp suất riêng phần của các chất khí tại thời điểm cân bằng

Mối liên hệ giữa K P và K C

Đối với khí lý tưởng, từ PV=nRT và

n

C

V

 (C là nồng độ)

Ta có P = CRT

[( ) ( )]

[ ] ( ) [ ] ( )

[ ] ( ) [ ] ( )

c d a b

A B

  

KP = KC(RT)n n = (c+d) - (a+b) : biến thiên số mol khí của phản ứng

Lưu ý : R=0,082 (l.atm.mol-1

.K-1)

Ví dụ : Ở 375oC, phản ứng thuận nghịch sau đây có hằng số cân bằng

N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k) KP = 4,3x10-4 Cho biết giá trị KC của phản ứng

2.3 Hằng số cân bằng phâ n số mol K x

Phân số mol (hay nồng độ phần mol) của một chất A trong hỗn hợp là tỉ số giữa số mol chất A với tổng số mol các chất có trong hỗn hợp

i

i

x



Pi: áp suất riêng phần của từng chất khí

P: áp suất toàn phần của hệ

c d

C D

A B

x x K

x x



Mối liên hệ giữa K x và K P :

[( ) ( )]

( )

c d

a b c d

C D

  

   

 

   

 

   

   

   

KP = Kx Pn n = (c+d) - (a+b) : biến thiên số mol khí của phản ứng

Ví dụ : Cho phản ứng thuận nghịch sau :

N2 (k) + 3H2  2NH3 (k) Tại nhiệt độ 673 K, áp suất P = 1 atm, phản ứng có KP = 1,64x10-4 Xác định các hằng số

KC và Kx tại điều kiện trên

 Phản ứng trong hệ dị thể có pha khí hoặc trong dung dịch không lý tưởng

Đối với hệ dị thể có sự tham gia của các chất khí:

Đối với phản ứng trong hệ dị thể có sự tham gia của các chất khí, do nồng độ của chất rắn

là đại lượng không đổi ở nhiệt độ nhất định nên hằng số cân bằng KP, KC chỉ phụ thuộc các chất

ở pha khí

Ví dụ : CaCO3 (r)  CaO (r) + CO2 (k)

KC = [CO2] KP = PCO2

xi : phân số mol của từng chất ở thời điểm cân bằng

Đối với dung dịch:

Đối với phản ứng trong hệ dị thể diễn ra trong dung dịch, nồng độ của nước lỏng nguyên chất là đại lượng không đổi ở nhiệt độ nhất định, nên hằng số cân bằng KC chỉ phụ thuộc nồng

độ các chất tan trong dung dịch

Ví dụ : 2H2O (l)  H3O+ (dd) + OH- (dd)

KC = [H3O+][ OH-]

3 Phương trình cân bằng và hằng số cân bằng

 Phương trình cân bằng : N2O4 (k)  2 NO2 (k)

2 2

2 4

C

NO K

N O



 Có thể biểu diễn hệ cân bằng trên bằng phương trình :

2 NO2 (k)  N2O4 (k) 2 4

2 2

'

C

C

N O K

 Giá trị K còn phụ thuộc vào cách cân bằng phương trình :

N2O4 (k)  2 NO2 (k)

2 2

2 4

C

NO K

N O



½ N2O4 (k)  NO2 (k) 2

0,5

2 4

NO

N O

2 N2O4 (k)  4NO2 (k)

4

2 2

2

2 4

NO

N O

Ví dụ : Tính hằng số cân bằng Kp3 của phản ứng : 2CO2(k)  2CO(k) + O2(k)

Biết CO2(k) + H2(k)  CO(k) + H2O(k) Kp1

2H2O(k)  O2(k) + 2H2(k) Kp2

ĐS : Kp3 = (Kp1)2

.(Kp2)

Ví dụ : Cho cân bằng phản ứng : 2CH4(k)  C2H2(k) + 3H2(k) được thực hiện ở 298 K Nồng độ lúc cân bằng của CH4 là 3M, biết rằng tới trạng thái cân bằng chỉ có 25% CH4 tham gia phản ứng

a) Tính KC , KP của phản ứng ở nhiệt độ trên, biết rằng nồng độ ban đầu của C2H2 và H2 bằng 0

b) Tính KC’ KP’ của phản ứng : CH4(k)  ½ C2H2(k) + 3/2H2(k)

ĐS : a) KC = 0,1875 ; KP = 111,96 ; b) KC’ = 0,43 ; KP’ = 10,58

4 Chiều diễn tiến của phản ứng thuận nghịch - Phương trình đẳng nhiệt Vant’ Hoff

4.1 Mối liên hệ giữa K P và G 0

Trong chương Nhiệt động hóa học chúng ta chỉ lưu ý đến biến thiên thế đẳng áp ở điều kiện chuẩn G0 Tuy nhiên, trong thực tế khi bắt đầu phản ứng thì các tác chất ở điều kiện chuẩn nhưng khi phản ứng đã xảy ra thì điều kiện phản ứng sẽ thay đổi không còn là điều kiện chuẩn

Do đó, biến thiên thế đẳng áp Gcũng thay đổi Dựa vào nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực

học người ta rút ra hệ thức sau đây cho phản ứng trong pha khí:

aA + bB  cC + dD

ln

c d

C D

a b

A B

P P

P P

    hay   G G0RTlnQ (xem thêm ý nghĩa của Q ở phần 4.2) Khi phản ứng đạt cân bằng :

G=0

ln

c d

C D

a b

A B

P P

P P

   (các giá trị áp suất tại thời điểm cân bằng)

Vậy G0= - RTlnKP (Phương trình đẳng nhiệt Vant’ Hoff)

0

RT



 

Lưu ý : Tùy theo đơn vị của G mà chọn giá trị R tương ứng

 G (kJ/mol) cần chọn R=8,314 (J.mol-1

.K-1)

 G (kcal/mol) cần chọn R=1,987 (cal.mol-1

.K-1)

Ví dụ : Dựa vào các dữ liệu dưới đây, hãy tính biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩn G0 và hằng số cân bằng KP của phản ứng ở 25o

C

NO (k) + O3 (k)  NO2 (k) + O2 (k)

G0tt,298 (kJ.mol-1) 86,55 163,2 51,29 0

Ví dụ : Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của NO và NO2 lần lượt là 20,72 và 12,39 Kcal/mol a) Tính Go298 của phản ứng : NO + ½ O2  NO2

b) Tính KP của phản ứng trên ở 25oC Cho biết đơn vị của KP nếu áp suất được biểu diễn bằng atm?

ĐS : Go = -8,33 Kcal; KP = 1,29.106

 Lưu ý : Đối với phản ứng xảy ra trong dung dịch

ln [ ] [ ]

ln

0

RT



 

số mol khí) hoặc phản ứng xảy ra trong dung dịch

4.2 Dựa vào hằng số cân bằng để dự đoán chiều diễn tiến của phản ứng

Chỉ số phản ứng (Q)

aA + bB  cC + dD

[ ] [ ] [ ] [ ]

Q

 [A], [B], [C], [D] nồng độ các chất ở thời điểm bất kỳ Đối với phản ứng trong pha khí có thể thay nồng độ bằng áp suất riêng phần

Có thể xem như chỉ số phản ứng Q là thước đo quá trình phản ứng

0

ln

cb

Q

K

 

Ban đầu, khi chỉ có tác chất, nồng độ sản phẩm bằng 0 thì Q=0 Theo tiến trình phản ứng, nồng độ tác chất giảm dần, nồng độ sản phẩm tăng lên Do đó, khi hệ chỉ có sản phẩm thì Q tăng lên đến vô cùng (Q=) (phản ứng hoàn toàn, nồng độ tác chất bằng 0)

Các phản ứng thuận nghịch luôn có xu thế đạt trạng thái cân bằng, do đó:

 Khi Q < Kcb  Q/Kcb<1G < 0 phản ứng thuận chiếm ưu thế cho đến khi hệ đạt cân bằng

 Khi Q>Kcb  Q/Kcb>1 G > 0 phản ứng nghịch chiếm ưu thế cho đến khi hệ đạt cân bằng

 Khi Q=Kcb  Q/Kcb=1 G = 0 hệ đạt trạng thái cân bằng

Ví dụ : Ở một nhiệt độ rất cao, phản ứng sau đây có KC=65,0

2HI (k)  H2 (k) + I2 (k) Tại một thời điểm người ta đo được [HI] = 0,50M, [H2] = 2,80M và [I2] = 3,40M Hỏi tại thời điểm này hệ có cân bằng không ? Nếu không, phản ứng phải theo hướng nào để hệ đạt cân bằng?

Q=0

(chỉ có tác chất)

Q= (chỉ có sản phẩm) Kcb

Tăng Q 

Phản ứng theo chiều thuận

Tạo nhiều sản phẩm Phản ứng theo chiều nghịch Tạo nhiều tác chất

5 Sự chuyển dịch cân bằng – nguyên lý Le Chatelier

5.1 Sự chuyển dịch cân bằng

Trạng thái cân bằng hóa học sẽ không thay đổi nếu các điều kiện bên ngoài vẫn giữ nguyên

Các điều kiện bên ngoài chủ yếu quyết định trạng thái cân bằng của hệ là: nhiệt độ, áp suất, nồng độ

Khi thay đổi một trong những điều kiện bên ngoài này thì trạng thái cân bằng hóa học sẽ bị thay đổi do tốc độ các phản ứng thuận và nghịch dưới tác dụng của sự thay đổi đó sẽ biến đổi khác nhau Tuy nhiên, sau một thời gian hệ cũng đạt tới trạng thái cân bằng mới với những điều kiện mới

Sự thay đổi trạng thái cân bằng khi thay đổi điều kiện bên ngoài được gọi là sự chuyển dịch cân bằng

Nguyên lý Le Chatelier:

“Với một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi bất kỳ một yếu tố xác định điều

kiện cân bằng (áp suất, nồng độ, nhiệt độ) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự

thay đổi đó”

5.2 Ảnh hưởng của nồng độ

Khi thêm một lượng tác chất hoặc sản phẩm vào hệ cân bằng thì chỉ số phản ứng Q sẽ thay đổi và khác Kcb, hệ không còn cân bằng nữa

Nếu thêm sản phẩm vào hệ ([C] và [D] tăng lên) thì Q > K, phản ứng nghịch sẽ chiếm ưu

thế chuyển dịch về phía chiều tạo thành tác chất cho đến khi hệ đạt cân bằng trở lại

Và ngược lại, khi thêm tác chất ([A] và [B] tăng lên) vào hệ thì Q < K, phản ứng thuận sẽ chiếm ưu thế, cân bằng chuyển dịch về phía chiều thuận tạo thành sản phẩm đến khi hệ đạt được

cân bằng

“Khi thêm một lượng tác chất hoặc sản phẩm vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng tiêu thụ bớt chất thêm đó”

Ví dụ : Quy trình Haber trong tổng hợp NH3 từ H2 và N2

N2 (g) + 3H2 (g)  2NH3 (g) H0 = -92.6 kJ/mol

5.3 Ảnh hưởng của áp suất

Sự thay đổi áp suất không ảnh hưởng nhiều đối với nồng độ chất rắn và chất lỏng, nhưng rất có ý nghĩa đối với chất khí

Áp suất và nồng độ có mối liên hệ nhau:

Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng

PV=nRT và

C n

V

 (C là nồng độ)

Ta có P = CRT

Ở một nhiệt độ xác định, nếu tăng áp suất, thể tích chất khí sẽ giảm, dẫn đến nồng độ tăng

Ví dụ: Xét phản ứng cân bằng N 2O4 (k)  2 NO2 (k)

2

2 0

2 4 0

C

NO K

N O



Ở một nhiệt độ xác định, khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng áp suất của hệ gấp đôi bằng cách nén hỗn hợp phản ứng (bằng cách đẩy piston) thì thể tích của hệ giảm xuống còn một nửa Điều này làm nồng độ các chất trong hệ tăng lên gấp đôi

Với

2 2

2 0 2

2 4 2 4 0

2

NO NO

Do đó, Q > KC  G>0 cân bằng chuyển dịch về phía chiều ngược lại, về phía giảm số mol khí

Vậy khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch về phía chiều giảm số mol khí

Và ngược lại, khi giảm áp suất của hệ (bằng cách kéo piston) thì thể tích của hệ tăng lên Nồng độ các chất giảm, Q < K, cân bằng chuyển dịch về phía chiều thuận, về phía chiều tăng số mol khí

Tóm lại, với hệ không có sự khác nhau về số mol khí ở hai vế của phương trình hóa học thì

việc tăng hay giảm áp suất không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng

Đối với hệ có sự khác nhau về số mol khí ở hai vế của phương trình hóa học “Trong hệ cân bằng, khi tăng áp suất, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều giảm số phân tử khí; và ngược lại”

Ví dụ : Áp suất có ảnh hưởng gì đến trạng thái cân bằng của các phản ứng sau :

FeO(r) + CO(k)  Fe(r) + CO2(k) 4HCl(k) + O2(k)  2H2O(k) + 2Cl2 (k)

C(gr) + CO2 (k)  2CO(k)

5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Dựa vào biểu thức :

    

 Khi H>0 phản ứng thu nhiệt, khi nhiệt độ tăng thì KP tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều của phản ứng thu nhiệt)

 Khi H<0 phản ứng tỏa nhiệt, khi nhiệt độ tăng thì KP giảm, cân bằng chuyển dịch theo

chiều nghịch (chiều của phản ứng thu nhiệt)

“Khi nhiệt độ của một hệ cân bằng tăng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều hấp thu nhiệt; ngược lại, khi nhiệt độ của hệ giảm, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt”

chiếm ưu thế

Ví dụ : Xét phản ứng cân bằng N 2O4 (k)  2 NO2 (k) H0 = 58kJ > 0

(không màu) (màu nâu)

0oC 50oC

Ví dụ : nhiệt độ có ảnh hưởng gì đến trạng thái cân bằng của các phản ứng sau :

4HCl(k) + O2(k)  2H2O(k) + 2Cl2 (k) H < 0

TỔNG KẾT CHƯƠNG 5

1.Các khái niệm

2.Hằng số cân bằng

c d

C D

A B

P P K

P P



[ ] [ ] [ ] [ ]

K



c d

C D

A B

x x K

x x



KP = KC(RT)n (khí) = KxPn (khí) Lưu ý: R = 0,082 (l.atm.mol-1

.K-1) Các giá trị tại thời điểm cân bằng

K phụ thuộc nhiệt độ

Lưu ý:

 Giá trị hằng số cân bằng của một phản ứng phụ thuộc vào cách viết phản ứng đó (về chiều và về cách cân bằng phương trình phản ứng)

 Đối với phản ứng trong hệ dị thể (chất rắn và chất khí), hằng số cân bằng KP, KC chỉ phụ thuộc các chất ở pha khí

 Mối liên hệ K P và G:

0 ln

    Phản ứng trong pha khí:

0

RT



 

Phản ứng trong dung dịch:

0

RT



  Chọn giá trị R phù hợp theo G0: R = 8,314 (J.mol-1.K-1) hoặc R = 1,987 (cal.mol-1.K-1)

3 Dự đoán chiều diễn tiến của phản ứng thuận nghịch:

Tính toán chỉ số phản ứng Q (lưu ý: công thức tính Q giống như tính K nhưng các giá trị nồng độ hoặc áp suất ở thời điểm khảo sát, khác thời điểm cân bằng)

 Khi Q < Kcb G < 0 phản ứng thuận chiếm ưu thế cho đến khi hệ đạt cân bằng

 Khi Q > Kcb G > 0 phản ứng nghịch chiếm ưu thế cho đến khi hệ đạt cân bằng

 Khi Q = KcbG = 0 hệ đạt trạng thái cân bằng

4 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

“Với một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi bất kỳ một yếu tố xác định điều kiện cân bằng (áp suất, nồng độ, nhiệt độ) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó”

 Nồng độ:

Khi thêm một chất, cân bằng chuyển dịch theo chiều tiêu thụ bớt chất thêm đó, và ngược lại

 Áp suất: chỉ ảnh hưởng đến những phản ứng có sự thay đổi số mol khí

Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí, và ngược lại

 Nhiệt độ:

Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (H>0) , và ngược lại